2023年5月23日，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院、合成與功能生物分子中心、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心、IDG/麥戈文腦科學(xué)研究所鄒鵬研究員課題組在《自然-通訊》發(fā)表題為“Genetically encoded photocatalytic protein labeling enables spatially-resolved profiling of intracellular proteome”的研究論文，報道了一種基因編碼的可見光催化時空分辨蛋白質(zhì)組鄰近標(biāo)記新技術(shù)。

真核細(xì)胞中高度區(qū)室化的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)為不同的細(xì)胞生理過程提供了特定的化學(xué)環(huán)境，而蛋白質(zhì)作為執(zhí)行生命活動的主要分子，其執(zhí)行的生理功能與其所處的亞細(xì)胞定位密切相關(guān)。因此研究細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)分子在各區(qū)域的精細(xì)分布對于理解細(xì)胞生命活動具有重要意義。傳統(tǒng)研究手段包括基于免疫熒光的成像技術(shù)、基于免疫沉淀的生化分離技術(shù)等，然而這些手段存在著分析通量較低、時空分辨率差、缺乏亞細(xì)胞區(qū)域普適性等缺點。

針對這些難題，鄒鵬課題組開發(fā)了由可見光引發(fā)的光催化蛋白質(zhì)標(biāo)記與鑒定技術(shù)RinID。該方法利用可見光激發(fā)遺傳靶向的蛋白質(zhì)光催化劑miniSOG，由此產(chǎn)生的單線態(tài)氧可以對鄰近蛋白質(zhì)分子上的組氨酸進(jìn)行氧化。于此同時，氧化產(chǎn)物被外源加入的小分子氨基探針原位捕獲，將一個生物正交官能團(tuán)共價交聯(lián)到蛋白質(zhì)上，進(jìn)而通過親和富集得以純化，利用液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜進(jìn)行蛋白質(zhì)組檢測。標(biāo)記的空間特異性由兩方面保證，一是miniSOG能夠通過遺傳靶向（融合特定蛋白質(zhì)或定位肽）精準(zhǔn)定位于特定的亞細(xì)胞區(qū)域，二是單線態(tài)氧具有微秒尺度的壽命從而將標(biāo)記半徑局限在幾十納米的空間范圍內(nèi)。

鄒鵬課題組利用RinID技術(shù)系統(tǒng)研究了多個亞細(xì)胞區(qū)域的蛋白質(zhì)組，包括線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、細(xì)胞核等，均獲得了出色的空間特異性（>90%），高于目前常用的APEX2、TurboID等技術(shù)。進(jìn)一步地，他們利用了光控標(biāo)記的標(biāo)記窗口可控與毒性較低的特征，將脈沖-追蹤式標(biāo)記與RinID結(jié)合，發(fā)展了Pulse-chaseRinID方法，在HeLa細(xì)胞的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中鑒定了97種蛋白質(zhì)在0—24小時內(nèi)在細(xì)胞中的清除速率。由此發(fā)現(xiàn)，分泌蛋白相比于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)駐留蛋白具有更高的清除速率。

RinID具有操作簡單、空間選擇性高、時間窗口高度可控、生物相容性好的特點，將成為一項適合于在多種生物系統(tǒng)中研究亞細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組的新技術(shù)。另外值得強調(diào)的一個優(yōu)勢是，鄒鵬課題組在2019年與2020年相繼報道了由miniSOG介導(dǎo)的光催化標(biāo)記活細(xì)胞局部的RNA（https://www.nature.com/articles/s41589-019-0368-5）與DNA（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202005486）技術(shù)CAP-seq。新報道的蛋白質(zhì)組標(biāo)記RinID技術(shù)進(jìn)一步拓展了可見光催化的時空分辨標(biāo)記工具箱，可以實現(xiàn)用同一個光催化標(biāo)簽蛋白、同一個細(xì)胞系來同時實現(xiàn)蛋白質(zhì)組、轉(zhuǎn)錄組、基因組的標(biāo)記，為開展多維組學(xué)研究提供了重要工具。

RinID技術(shù)流程示意圖

北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院博士生鄭甫為該論文第一作者，鄒鵬為論文通訊作者。該工作得到了北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心、科技部、國家自然科學(xué)基金委的資助。

來源：北京大學(xué)