陳鵬/樊新元團隊成功開發(fā)基于生物正交光催化的線粒體組學新技術(shù)CAT-Prox
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線粒體作為細胞的能量工廠在多個信號通路以及多種疾病的發(fā)生發(fā)展中扮演了相當重要的角色。對線粒體蛋白質(zhì)組進行多維度的解析能夠使我們更深入地了解它的功能。然而，現(xiàn)有的線粒體蛋白質(zhì)組學技術(shù)存在相應的缺陷。其中，通過密度梯度離心得到的線粒體容易被其他細胞器污染，且對分離后的線粒體進行蛋白質(zhì)組學分析不能夠反映活細胞內(nèi)的真實情況。酶促鄰近標記以及亞細胞定位的活性化學分子標記技術(shù)常用于活細胞中的線粒體蛋白質(zhì)組學分析，然而這兩種技術(shù)分別受限于質(zhì)粒轉(zhuǎn)染的操作難度以及活性化學分子的非特異性標記。
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圖1. CAT-Prox技術(shù)示意圖
近日，北京大學化學與分子工程學院陳鵬/樊新元團隊報道了一種基于光催化的生物正交反應的新一代線粒體蛋白質(zhì)組學技術(shù)CAT-Prox（Photocatalytic decaging-enabled proximity labeling strategy）。該研究利用光催化的生物正交反應的獨特優(yōu)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(xié)同策略，在活細胞的線粒體中原位催化產(chǎn)生活性化學探針，用于線粒體蛋白質(zhì)組的原位、實時標記，實現(xiàn)了無需基因操作、時空靈活可控的線粒體蛋白質(zhì)的原位標記，在難以基因操作的細胞中實現(xiàn)了高特異的線粒體蛋白質(zhì)組學的“時-空”分析。
作者首先將響應藍光照射的光催化劑定位至線粒體，隨后向細胞中加入疊氮苯基保護的亞甲基醌化合物。其中，疊氮苯基能夠在藍光的照射下被光催化劑催化還原并離去，原位生成高親電性的亞甲基醌中間體，實現(xiàn)線粒體蛋白質(zhì)的特異性標記。最后，作者通過選擇性富集和串聯(lián)質(zhì)譜分析被特異性標記的線粒體蛋白質(zhì)，實現(xiàn)高覆蓋率、高特異性以及時空分辨的線粒體蛋白質(zhì)組學分析。結(jié)果表明，該方法在HeLa細胞以及更難轉(zhuǎn)染的RAW264.7細胞中能夠鑒定到超過200個線粒體蛋白質(zhì)，特異性高達70%。此外，作者還利用這一策略在炎癥刺激下的RAW264.7細胞中實現(xiàn)了線粒體蛋白質(zhì)組的動態(tài)分析，除了能夠高特異性地鑒定線粒體蛋白質(zhì)以外還能夠?qū)λ鼈?/span>在炎癥刺激前后的豐度變化進行監(jiān)測，實現(xiàn)多維度的線粒體蛋白質(zhì)組學分析。
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圖2. 線粒體蛋白質(zhì)組的串聯(lián)質(zhì)譜分析結(jié)果
綜上，該項研究開發(fā)了基于光催化的生物正交剪切反應以及鄰近標記的線粒體蛋白質(zhì)組學技術(shù)CAT-Prox。該技術(shù)在不需要質(zhì)粒轉(zhuǎn)染的情況下實現(xiàn)了時空分辨的線粒體蛋白質(zhì)組學分析，為日后在活體中進一步研究亞細胞區(qū)域的動態(tài)蛋白質(zhì)組打下了堅實的基礎，從而能夠更深入更細致地對生物學過程進行解析。該研究成果近日以“Bioorthogonal Photocatalytic Decaging-Enabled Mitochondrial Proteomics”為題發(fā)表于Journal of the American Chemical Society (https://doi.org/10.1021/jacs.1c09171)。
北京大學化學與分子工程學院博士研究生黃宗煜、劉子琦為該論文的共同第一作者，北京大學化學與分子工程學院、北大-清華生命科學聯(lián)合中心陳鵬教授和北京大學化學與分子工程學院的樊新元副研究員為該論文的共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金委、科技部、北京分子科學國家研究中心以及北大-清華生命科學聯(lián)合中心的資助。
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原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c09171
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