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生命活動(dòng)往往是多種細(xì)胞協(xié)同參與、時(shí)空高度調(diào)控的復(fù)雜過(guò)程。因此，對(duì)活體中的特定細(xì)胞及特定生命分子進(jìn)行原位的標(biāo)記、操縱及分析，是研究現(xiàn)代生物學(xué)問(wèn)題的關(guān)鍵途徑。基因工程方法（如融合熒光蛋白標(biāo)簽）能夠在活細(xì)胞中提供精準(zhǔn)的標(biāo)記信號(hào)，但其應(yīng)用范圍受限，不適用于一些難以轉(zhuǎn)染的樣品（如原代細(xì)胞、臨床樣品等）。而近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的生物正交反應(yīng)能通過(guò)化學(xué)手段在生命活體中進(jìn)行原位研究，為生物學(xué)研究提供了簡(jiǎn)單高效的工具。特別是近期涌現(xiàn)的生物正交光催化化學(xué)，能分別通過(guò)催化劑的靶向和外源光控同時(shí)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的空間和時(shí)間分辨，具有時(shí)空靈活可控的巨大優(yōu)勢(shì)。

近日，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院陳鵬/樊新元團(tuán)隊(duì)在Chem雜志發(fā)表題為“Spatially resolved cell tagging and surfaceome labeling via targeted photocatalytic decaging”的研究論文。是繼該團(tuán)隊(duì)圍繞光催化反應(yīng)而開發(fā)線粒體時(shí)空蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)CAT-Prox (J. Am. Chem. Soc. 2021, 18714)，以及RNA-蛋白質(zhì)互作捕捉技術(shù)PhotoCAX (Angew. Chem. Int. Ed. 2022, DOI: 10.1002/anie.202202008) 等系列活細(xì)胞的光催化工具之后的一個(gè)重要進(jìn)展。本研究中，作者借助抗體的靶向優(yōu)勢(shì)，通過(guò)抗體偶聯(lián)光催化劑的策略將光催化劑靶向目標(biāo)細(xì)胞表面，用于多細(xì)胞的復(fù)雜生物環(huán)境中特異性細(xì)胞原位標(biāo)記、膜蛋白組時(shí)空解析以及癌細(xì)胞選擇性可控殺傷，為復(fù)雜生物樣品的精細(xì)時(shí)空研究奠定了技術(shù)基礎(chǔ)（圖1）。

圖1. 空間靶向的光催化反應(yīng)平臺(tái)CAT-Ex

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作者首先設(shè)計(jì)通過(guò)抗體靶向的方式賦予光催化劑在特定細(xì)胞表面的定位能力。為此，作者通過(guò)點(diǎn)擊化學(xué)構(gòu)建了抗體-光催化劑偶聯(lián)體，并分別通過(guò)熒光激活反應(yīng)和細(xì)胞成像證實(shí)了抗體-光催化劑偶聯(lián)體兼具光催化活性與細(xì)胞靶向能力。隨后，通過(guò)細(xì)胞體系中的熒光激活實(shí)驗(yàn)，作者發(fā)現(xiàn)該偶聯(lián)體在靶細(xì)胞表面有明顯的光催化反應(yīng)活性，表明CAT-Ex平臺(tái)的構(gòu)建取得初步成功。復(fù)雜生命體系中特定細(xì)胞的標(biāo)記與捕獲是重要的研究手段。作者通過(guò)將CAT-Ex與生物素分子的反應(yīng)聯(lián)用，設(shè)計(jì)了一種光催化介導(dǎo)的細(xì)胞選擇性共價(jià)標(biāo)記策略。作者以HER2陽(yáng)性的癌細(xì)胞為靶標(biāo)，將該策略分別在二元、多元以及小鼠腫瘤組織細(xì)胞體系中進(jìn)行了驗(yàn)證，均能夠有效地對(duì)靶細(xì)胞在光控條件下進(jìn)行生物素共價(jià)標(biāo)記，以方便后續(xù)的深度分析（圖2）。

圖2. 基于CAT-Ex的細(xì)胞選擇性原位標(biāo)記

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作者進(jìn)一步將CAT-Ex與活性中間體—亞甲基醌的光催化激活反應(yīng)進(jìn)行聯(lián)用，發(fā)展出了一種新的細(xì)胞表面微環(huán)境蛋白質(zhì)組學(xué)的研究方法。通過(guò)在細(xì)胞表面原位激活產(chǎn)生亞甲基醌中間體，目標(biāo)抗原附近的蛋白質(zhì)可被標(biāo)記，以用于組學(xué)研究。作者將該方法運(yùn)用于HER2+MDA和SKBR3乳腺癌細(xì)胞表面HER2鄰近微環(huán)境中蛋白質(zhì)的標(biāo)記，并通過(guò)串聯(lián)質(zhì)譜鑒定到了一系列與HER2有潛在相互作用的膜蛋白（如GLUT1、MRP1等）用于后續(xù)的生物學(xué)研究（圖3）。最后，作者還通過(guò)CAT-Ex與前藥底物的聯(lián)用初步闡釋了該系統(tǒng)在前藥治療方面的潛力。通過(guò)在HER2陽(yáng)性細(xì)胞表面光催化激活釋放MMAE前藥，作者實(shí)現(xiàn)了對(duì)特定靶細(xì)胞的殺傷。

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圖3. 基于CAT-Ex的細(xì)胞表面微環(huán)境的蛋白質(zhì)組學(xué)研究

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綜上，通過(guò)抗體靶向策略與光催化生物正交的結(jié)合，作者構(gòu)建了空間靶向的光催化平臺(tái)CAT-Ex。在復(fù)雜體系中，該平臺(tái)能夠?qū)⑸镎环磻?yīng)精準(zhǔn)定位至特定細(xì)胞表面，并通過(guò)光控賦予了時(shí)空分辨率；通過(guò)與多種多樣的反應(yīng)底物聯(lián)用，CAT-Ex實(shí)現(xiàn)了光控細(xì)胞選擇性標(biāo)記、細(xì)胞表面微環(huán)境蛋白質(zhì)組學(xué)以及靶向前藥釋放等應(yīng)用場(chǎng)景，體現(xiàn)了該平臺(tái)的多功能性與通用性。最后，作者也指出藍(lán)光僅適用于活細(xì)胞研究，隨著正在進(jìn)行的更長(zhǎng)波長(zhǎng)光催化反應(yīng)的開發(fā)與持續(xù)優(yōu)化，光催化化學(xué)工具在未來(lái)有望實(shí)現(xiàn)活體動(dòng)物等更為復(fù)雜的生物體系研究，以適應(yīng)多種多樣的生物學(xué)應(yīng)用的需要。

北京大學(xué)化學(xué)學(xué)院、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心陳鵬教授和北京大學(xué)化學(xué)學(xué)院樊新元副研究員為該論文的通訊作者。北京大學(xué)化學(xué)學(xué)院博士研究生劉子琦為該論文的第一作者，該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、北京分子科學(xué)國(guó)家研究中心以及北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心的資助。

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原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2451929422002145

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