陳興團隊開發細胞尺度的鄰近标記技術

      在多細胞生物中，不同細胞在空間上有序排列形成了具有功能的組織和器官。鄰近的細胞之間通過直接接觸或者分泌可擴散的分子來完成物質交換和信息交流。為了研究細胞的空間組成，研究人員已開發了多種鄰近标記技術用于對特定細胞的鄰近細胞進行标記、分離和組學分析，例如LIPSTIC^[1]、EXCELL^[2]、FucoID^[3]、μMAP^[4]、PhoTag^[5]及PhoXCELL^[6]等。然而，受限于外源酶的作用範圍或者活性中間體的半衰期，這些方法的标記半徑多在納米級别，标記範圍局限于細胞接觸的界面，限制了它們用于研究較弱的細胞相互作用。此外，細胞外基質中的大量蛋白容易淬滅标記，使得在組織中原位标記和研究細胞的空間組成極具挑戰性。

　　為了解決上述問題，beat365官方网站、北大-清華生命科學聯合中心及beat365合成與功能生物分子中心陳興課題組于2023年5月27日在Science Advances期刊上在線發表了題為Cellular-scale proximity labeling for recording cell spatial organization in mouse tissues的研究論文，報道了一種新型的鄰近細胞标記技術：QMID（quinone-methide-assisted identification of cell spatial organization）。QMID技術主要依賴于作者開發的被保護的亞甲基苯醌（quinone methide，QM）前體探針分子和相應的脫保護酶。通過在特定細胞表面展示脫保護酶并對探針分子進行脫保護，從而生成強親電性的QM。原位生成的QM迅速與鄰近細胞表面的蛋白質等親核分子發生加成反應，實現對鄰近細胞的共價标記。

　　作者合成了可被半乳糖苷酶βGal激活的探針gFQM-biotin和gFMeQM-biotin。利用βGal與ZHER（HER2的納米抗體）的嵌合蛋白ZHER-βGal選擇性地在HER2陽性細胞表面展示βGal，作者證明QMID可以有效地标記HER2陽性細胞的鄰近細胞。被标記後的細胞可以使用流式細胞儀或共聚焦熒光成像進行分析。

　　作者随後利用這一技術探究了癌細胞與巨噬細胞的相互作用。利用QMID，作者将癌細胞鄰近的巨噬細胞進行了标記、分離和RNA測序。通過與單獨培養的巨噬細胞的基因表達進行比較，作者發現巨噬細胞中許多基因表達與巨噬細胞和癌細胞的空間距離相關，并鑒定到PD-L1及IDO1等一系列基因表達在巨噬細胞中受到了鄰近癌細胞的激活。

　　最後，作者将QMID應用于活體組織切片，并探究了小鼠脾髒中不同T細胞亞群的鄰近細胞組成。通過生物素修飾的抗體及βGal修飾的鍊黴親和素将βGal展示至小鼠脾髒切片中CD4⁺和CD8⁺T細胞的表面後，作者使用QMID對其鄰近細胞進行标記和分離，結合單細胞RNA測序技術成功實現了對小鼠脾髒中兩類T細胞的鄰近細胞的系統鑒定與分析。QMID為研究複雜生物體系中細胞的空間組成及相互作用提供了全新的化學工具。

　　陳興教授為該論文的通訊作者，博士研究生張旭和唐麒為該論文的共同第一作者。孫嘉禹、郭怡蘭、張紹然、梁舒瑜、戴鵬等為該工作做出了重要貢獻。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。

　　[1] G. Pasqual, A. Chudnovskiy, J. M. J. Tas, M. Agudelo, L. D. Schweitzer, A. Cui, N. Hacohen, G. D. Victora, Nature 2018, 553, 496–500.

　　[2] Y. Ge, L. Chen, S. Liu, J. Zhao, H. Zhang, P. R. Chen, J. Am. Chem. Soc.2019, 141, 1833–1837.

　　[3] Z. Liu, J. P. Li, M. Chen, M. Wu, Y. Shi, W. Li, J. R. Teijaro, P. Wu, Cell2020, 183, 1117-1133.

　　[4] J. B. Geri, J. V. Oakley, T. Reyes-Robles, T. Wang, S. J. McCarver, C. H. White, F. P. Rodriguez-Rivera, D. L. Parker, E. C. Hett, O. O. Fadeyi, R. C. Oslund, D. W. C. MacMillan, Science.2020, 367, 1091–1097.

　　[5] R. C. Oslund, T. Reyes-Robles, C. H. White, J. H. Tomlinson, K. A. Crotty, E. P. Bowman, D. Chang, V. M. Peterson, L. Li, S. Frutos, M. Vila-Perelló, D. Vlerick, K. Cromie, D. H. Perlman, S. Ingale, S. D. O. Hara, L. R. Roberts, G. Piizzi, E. C. Hett, D. J. Hazuda, O. O. Fadeyi, Nat. Chem. Biol.2022, 18, 850–858.

　　[6] H. Liu, H. Luo, Q. Xue, S. Qin, S. Qiu, S. Liu, J. Lin, J. P. Li, P. R. Chen, J. Am. Chem. Soc.2022, 144, 5517–5526.