陳鵬/樊新元團隊成功開發基于生物正交光催化的線粒體組學新技術CAT-Prox

線粒體作為細胞的能量工廠在多個信号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了解它的功能。然而，現有的線粒體蛋白質組學技術存在相應的缺陷。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，且對分離後的線粒體進行蛋白質組學分析不能夠反映活細胞内的真實情況。酶促鄰近标記以及亞細胞定位的活性化學分子标記技術常用于活細胞中的線粒體蛋白質組學分析，然而這兩種技術分别受限于質粒轉染的操作難度以及活性化學分子的非特異性标記。

圖1. CAT-Prox技術示意圖

近日，beat365官方网站陳鵬/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組學技術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産生活性化學探針，用于線粒體蛋白質組的原位、實時标記，實現了無需基因操作、時空靈活可控的線粒體蛋白質的原位标記，在難以基因操作的細胞中實現了高特異的線粒體蛋白質組學的“時-空”分析。

作者首先将響應藍光照射的光催化劑定位至線粒體，随後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，實現線粒體蛋白質的特異性标記。最後，作者通過選擇性富集和串聯質譜分析被特異性标記的線粒體蛋白質，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。結果表明，該方法在HeLa細胞以及更難轉染的RAW264.7細胞中能夠鑒定到超過200個線粒體蛋白質，特異性高達70%。此外，作者還利用這一策略在炎症刺激下的RAW264.7細胞中實現了線粒體蛋白質組的動态分析，除了能夠高特異性地鑒定線粒體蛋白質以外還能夠對它們在炎症刺激前後的豐度變化進行監測，實現多維度的線粒體蛋白質組學分析。

圖2. 線粒體蛋白質組的串聯質譜分析結果

綜上，該項研究開發了基于光催化的生物正交剪切反應以及鄰近标記的線粒體蛋白質組學技術CAT-Prox。該技術在不需要質粒轉染的情況下實現了時空分辨的線粒體蛋白質組學分析，為日後在活體中進一步研究亞細胞區域的動态蛋白質組打下了堅實的基礎，從而能夠更深入更細緻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”為題發表于Journal of the American Chemical Society (https://doi.org/10.1021/jacs.1c09171)。

beat365官方网站博士研究生黃宗煜、劉子琦為該論文的共同第一作者，beat365官方网站、北大-清華生命科學聯合中心陳鵬教授和beat365官方网站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-清華生命科學聯合中心的資助。

原文鍊接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c09171