基於生物正交光催化脫籠鄰近標記線粒體蛋白質組學策略CAT-Prox
“深耕科技前沿動態，解讀科技背後真相，瞄準科技產品評測”
摘要
2021年10月28日，J。 Am。 Chem。 Soc。上發表題為
Bioorthogonal Photocatalytic Decaging-Enabled Mitochondrial Proteomics
的研究論文，是
北京大學
化學與分子工程學院
陳鵬/樊新元
團隊基於
光催化剪下反應
的獨特優勢，提出
光敏劑靶向線粒體
和
可見光外源控制
的
“化學-光控”協同
策略
，在
活細胞的線粒體
中
原位催化產生活性探針
，用於
線粒體蛋白質組
的
原位、實時
標記
，實現了
無需基因操作、時空靈活可控的線粒體蛋白質組學分析
，並將該技術命名為
CAT-Prox
（Photocatalytic decaging-enabled proximity labeling）
。在瞭解該技術的之前，我們先來聊一聊該
技術開發的背景
。
▉ 背景
線粒體
作為細胞的能量工廠在多個訊號通路以及多種疾病的發生發展中扮演了相當重要的角色。對
線粒體蛋白質組
進行多維度的解析能夠使我們更深入地瞭解它的功能。
目前用於研究
亞細胞蛋白質組有兩種方法
：
其一，透過
密度梯度離心
得到的線粒體，該方法線粒體容易
被其他細胞器汙染
，且對分離後的線粒體進行蛋白質組學分析
不能夠反映活細胞內
的真實情況；其二，是以
酶促鄰近標記
策略為主
（如APEX、BioID等）
，也是目前主流的用於研究亞細胞蛋白質組的方法，在亞細胞蛋白質組學的研究方面發揮了巨大的作用，但由於
需要基因轉染、蛋白表達等基因工程
操作，酶促標記策略僅限於易轉染細胞的亞細胞組學分析，對於
難轉染細胞、原代細胞以及組織樣品等則無能
為力。
最近報道的基於
化學探針
的方法將
線粒體靶向組與反應性物種耦合
，用於
初級神經元細胞
中的線粒體蛋白質組分析，透過
避免遺傳操作
，它具有潛在的優勢。然而，鑑於穿過細胞膜和細胞溶質空間時的強反應性，直接使用反應性探針可能會導致
脫標
。最近也出現了
替代化學方法
，包括透過
Dexter能量轉移光催化生成碳烯物質
，從而實現
蛋白質網路的微對映
。但對於這種
短距離碳烯質
，整個蛋白質組的細胞內標記仍然具有挑戰性。
▉
CAT-Prox
圖1。 CAT-Prox技術示意圖
陳鵬/樊新元團隊為了解決這些問題，開發的新一代的線粒體蛋白質標記技術
CAT-Prox
。該技術是利用
光催化生物正交反應
原位啟用亞甲基醌類活性探針
，以實現蛋白質的
鄰近標記
。
他們將能
夠
響應藍光
激發的
銥光敏劑
特異地
靶向活細胞線粒體
中，隨後向體系中加入
疊氮苯基保護的亞甲基醌探針
。
開藍光照射後，銥光敏劑被激發進而觸發
疊氮苯基的脫除
，釋放出活性亞甲基醌探針，實現附近蛋白質的鄰近標記，用於
後續的富集和串聯質譜分析
。
該技術能夠實現
高效率、高特異性以及高覆蓋率
的線粒體蛋白質組學分析的同時，還能夠透過
外源光
對蛋白質標記過程進行
時間分辨的調控
，使
“時-空”蛋白質組學分析
成為可能。此外，銥催化劑和被保護的亞甲基醌分子在細胞中的引入都不需要藉助基因工程方法，因此可用於
無法基因操作的樣品
分析。
圖
2。 亞細胞蛋白質組學的CAT-Prox策略和工作流程示意圖
作為應用展示，作者將CAT-Prox分別用於
癌細胞
和
難轉染的巨噬細胞
的線粒體蛋白質組學
分析。以
HeLa細胞
和
RAW264.7細胞
為例，實驗結果表明，在這兩種細胞中可以標記到近
300個蛋白質
，其中
線粒體蛋白質的特異性
達到
70%
。
隨後，作者對
炎症
過程中的RAW264。7細胞進行了線粒體蛋白質組學的動態分析，成功鑑定到了
幾種
炎症相關的代謝以及防禦功能的蛋白質動態變化
（例如，上調的蛋白質包括IRG1、Aco2、Sod2、Acadsb 和 Dld等，下調的蛋白質包括Acot13、Acp6等）
。進一步的
免疫印跡分析
印證了CAT-Prox的鑑定結果，展示了該技術在蛋白質組學動態分析中的
可行性和準確性
。
圖3。 CAT - Prox啟用的活細胞線粒體蛋白質組和動力學分析
▉
結論
綜上，該研究設計並開發了
基於
光催化的生物正交剪下反應
以及
鄰近標記
的
線粒體蛋白質組學
技術
CAT-Prox
，在
不需要質粒轉染
的情況下實現
高覆蓋率、高特異性
以及
時空分辨
的線粒體蛋白質組學分析，為不同的活細胞環境提供了一種
基於酶的鄰近性標記策略
的
通用、催化和非遺傳替代方案
。
參考文獻：
《
Bioorthogonal Photocatalytic Decaging-Enabled Mitochondrial
Proteomics》
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