陳鵬/樊新元團隊開發空間靶向光催化的細胞标記與蛋白捕捉技術CAT-Ex

生命活動往往是多種細胞協同參與、時空高度調控的複雜過程。因此，對活體中的特定細胞及特定生命分子進行原位的标記、操縱及分析，是研究現代生物學問題的關鍵途徑。基因工程方法（如融合熒光蛋白标簽）能夠在活細胞中提供精準的标記信号，但其應用範圍受限，不适用于一些難以轉染的樣品（如原代細胞、臨床樣品等）。而近年來發展起來的生物正交反應能通過化學手段在生命活體中進行原位研究，為生物學研究提供了簡單高效的工具。特别是近期湧現的生物正交光催化化學，能分别通過催化劑的靶向和外源光控同時實現精準的空間和時間分辨，具有時空靈活可控的巨大優勢。

近日，beat365化學與分子工程學院陳鵬/樊新元團隊在Chem雜志發表題為“Spatially resolved cell tagging and surfaceome labeling via targeted photocatalytic decaging”的研究論文。是繼該團隊圍繞光催化反應而開發線粒體時空蛋白質組學技術CAT-Prox (J. Am. Chem. Soc. 2021, 18714)，以及RNA-蛋白質互作捕捉技術PhotoCAX (Angew. Chem. Int. Ed. 2022, DOI: 10.1002/anie.202202008) 等系列活細胞的光催化工具之後的一個重要進展。本研究中，作者借助抗體的靶向優勢，通過抗體偶聯光催化劑的策略将光催化劑靶向目标細胞表面，用于多細胞的複雜生物環境中特異性細胞原位标記、膜蛋白組時空解析以及癌細胞選擇性可控殺傷，為複雜生物樣品的精細時空研究奠定了技術基礎（圖1）。

圖1. 空間靶向的光催化反應平台CAT-Ex

作者首先設計通過抗體靶向的方式賦予光催化劑在特定細胞表面的定位能力。為此，作者通過點擊化學構建了抗體-光催化劑偶聯體，并分别通過熒光激活反應和細胞成像證實了抗體-光催化劑偶聯體兼具光催化活性與細胞靶向能力。随後，通過細胞體系中的熒光激活實驗，作者發現該偶聯體在靶細胞表面有明顯的光催化反應活性，表明CAT-Ex平台的構建取得初步成功。複雜生命體系中特定細胞的标記與捕獲是重要的研究手段。作者通過将CAT-Ex與生物素分子的反應聯用，設計了一種光催化介導的細胞選擇性共價标記策略。作者以HER2陽性的癌細胞為靶标，将該策略分别在二元、多元以及小鼠腫瘤組織細胞體系中進行了驗證，均能夠有效地對靶細胞在光控條件下進行生物素共價标記，以方便後續的深度分析（圖2）。

圖2. 基于CAT-Ex的細胞選擇性原位标記

作者進一步将CAT-Ex與活性中間體—亞甲基醌的光催化激活反應進行聯用，發展出了一種新的細胞表面微環境蛋白質組學的研究方法。通過在細胞表面原位激活産生亞甲基醌中間體，目标抗原附近的蛋白質可被标記，以用于組學研究。作者将該方法運用于HER2+MDA和SKBR3乳腺癌細胞表面HER2鄰近微環境中蛋白質的标記，并通過串聯質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）用于後續的生物學研究（圖3）。最後，作者還通過CAT-Ex與前藥底物的聯用初步闡釋了該系統在前藥治療方面的潛力。通過在HER2陽性細胞表面光催化激活釋放MMAE前藥，作者實現了對特定靶細胞的殺傷。

圖3. 基于CAT-Ex的細胞表面微環境的蛋白質組學研究

綜上，通過抗體靶向策略與光催化生物正交的結合，作者構建了空間靶向的光催化平台CAT-Ex。在複雜體系中，該平台能夠将生物正交反應精準定位至特定細胞表面，并通過光控賦予了時空分辨率；通過與多種多樣的反應底物聯用，CAT-Ex實現了光控細胞選擇性标記、細胞表面微環境蛋白質組學以及靶向前藥釋放等應用場景，體現了該平台的多功能性與通用性。最後，作者也指出藍光僅适用于活細胞研究，随着正在進行的更長波長光催化反應的開發與持續優化，光催化化學工具在未來有望實現活體動物等更為複雜的生物體系研究，以适應多種多樣的生物學應用的需要。

beat365化學學院、北大-清華生命科學聯合中心陳鵬教授和beat365化學學院樊新元副研究員為該論文的通訊作者。beat365化學學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://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2451929422002145