化学生物学领域最新突破:原位光催化邻近标记技术在活体样本中的应用
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近来,化学生物学领域涌现了使用小分子光催化在邻近位置标记分子的方法,展示了在研究难以转染的样品中具有巨大潜力。例如,诺贝尔奖获得者MacMillan课题组与默克研究人员合作开发了一种基于光催化产生活性卡宾探针的细胞膜蛋白质邻近标记技术μMap1,并持续探索该类新技术的应用领域。在北京大学化学与分子工程学院,陈鹏/樊新元团队利用光催化产生活性亚甲基醌探针开发了细胞内线粒体蛋白质邻近标记技术CAT-Prox3,细胞膜受体靶向的CAT-Ex技术4,以及细胞互作邻近标记的CAT-Cell5等技术。随后,在国内外研究人员的共同推动下,光催化邻近标记的研究蓬勃发展起来,许多创新技术相继涌现,为蛋白质组学研究提供了新的化学工具。
然而,标记组织原代、甚至人体临床等更为复杂样品的技术一直未能突破。陈鹏和樊新元团队在《自然通讯》期刊发表了题为“原位光催化临近标记技术在活体样本中的应用”的研究。他们在之前开发的线粒体定向光化学邻近标记技术CAT-Prox的基础上,通过化学改良研发了新一代更活跃的硫代亚甲基醌探针,适合应用于更为复杂的原代组织生物样本,实现了组织原代、甚至人体临床样本中线粒体蛋白的原位标记(CAT-S技术)。
作者首先对之前的CAT-Prox技术进行了系统性优化和升级,特别是对常用的亚甲基醌(QM)探针进行了化学改良,推出了新一代硫代QM标记基团(thioQM),在体外和活细胞内的蛋白质标记效率上展现出明显提升。随后,在多种细胞系中验证了该方法对线粒体蛋白的高效捕捉。结合蛋白质谱技术,能够在高达80%的特异性水平下,对300多个线粒体蛋白进行定量鉴定,勾勒活细胞线粒体蛋白组的特征;通过综合分析多种细胞系获得的数据,进一步发现并验证了PTPN1、SLC35A4 uORF以及TRABD等三个新的线粒体定位蛋白,展示了这项技术在发现新线粒体蛋白方面的潜力。
活细胞样本的标记一直是邻近领域的难题,特别是对于临床样本。为了解决这个问题,研究人员利用CAT-S技术成功实现了对小鼠肾脏和脾脏细胞样本中线粒体蛋白的邻近标记捕获,避免了对转基因动物模型的依赖。研究人员定量比较了肥胖诱导II型糖尿病小鼠和健康小鼠肾脏线粒体蛋白组的特征,发现在疾病状态下存在一系列线粒体蛋白的表达变化。尤其是脂质代谢相关酶类的变化明显,Aldh3a2和Acsm2的下降可能导致相关脂质代谢产物的积累,可能促进了与糖尿病相关的肾脏病变。此外,研究人员还证实CAT-S技术可以在人血液样本中对原代T细胞的线粒体蛋白进行标记,表明其在临床样本上具有应用潜力。
根据以上内容,这项工作推动了生物正交光催化标记化学的发展,并成功实现了在动物组织和临床原代细胞中的应用,并完成了线粒体蛋白质组的研究。由于无需基因改造、具有通用性和光控的时空分辨率,该方法开辟了新的研究途径来研究原代样品的亚细胞蛋白质组。未来该策略有望进一步发展针对其他亚细胞区域的生物正交标记方法,并深入探索更多与疾病有关的组学信息。
樊新元和陈鹏是本文的通讯作者,本文的共同第一作者是博士后刘子琦和博士研究生郭福虎。此研究得到国家自然科学基金、科技部重点研发计划、北京市自然科学基金、李革-赵宁生命科学青年研究基金等项目的经费支持。
2024-11-14
2024-11-14
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