RNA在细胞内的特异性定位对其正常生物功能的实现至关重要，尤其在线粒体等具备独立转录系统的细胞器中更为显著。线粒体RNA经历包括储存、加工、翻译和降解在内的多个复杂过程，其所构成的转录组及其修饰状态深刻影响细胞代谢，并与细胞死亡、分化、癌症增殖以及代谢重塑等多种生理和病理过程密切相关。

然而，传统的线粒体转录组研究方法存在局限性，例如基于密度梯度离心的分离策略需先裂解细胞，不仅丢失了原位空间信息，还存在组分交叉污染和时间分辨率低等问题。近年来发展的微流控与高分辨率荧光成像技术虽可实现空间解析，但通常需固定细胞，难以用于活细胞条件。邻近标记方法如APEX-seq、CAP-seq虽能部分保留原位信息，但依赖遗传操作，限制了在难以转染的细胞（如免疫细胞、干细胞和原代样本）中的应用。

图1. 基于生物正交光催化的线粒体转录组（CAT-seq）及同步多组学光催化邻近标记技术(CAT-ortho)。

为突破这些瓶颈，北京大学化学学院、北大-清华生命科学联合中心陈鹏/樊新元团队和生命科学学院、北大-清华生命科学联合中心刘君课题组通力合作，基于其前期开发的生物正交光催化概念（利用光催化反应需要催化剂和光照同时具备的特点，在生命体系中，使用催化剂的靶向控制反应空间，利用外源光控制反应时间，赋予生物正交反应时空可控的能力），开发线粒体转录组光催化邻近标记技术CAT-seq（图1）。并进一步通过化学调控开发分别标记RNA和蛋白质的正交化学探针，实现开发了同步多组学光催化技术CAT-ortho，实现了无需基因操作、时空灵活可控的亚细胞多组学的同步解析（图2）。这两项技术的开发，标志着光催化技术体系CAT-X实现了从蛋白质标记到其他生物大分子标记的重要跨越。该成果近日发表于Nature Chemistry。北京大学化学学院博士生毕云鹏、生命科学联合中心博士生俞黎姗和生命科学学院博士生邓启东为本文的共同第一作者，北京大学化学学院樊新元和北京大学化学学院、北大-清华生命科学联合中心陈鹏教授、生命科学学院、北大-清华生命科学联合中心刘君研究员为本文的通讯作者。

图2. CAT-seq及CAT-ortho光催化邻近标记技术示意图

首先，作者合成了一系列具有不同反应活性的亚甲基醌探针（QM），通过体外实验筛选出可特异性标记RNA的探针O-QM。研究发现，该探针主要通过共价结合胞嘧啶碱基实现对RNA的标记，这一机制与以往针对蛋白质的标记策略存在显著差异。对探针进行优化后，作者将CAT-seq成功应用于活细胞线粒体转录组组分的捕获与分析，证明了该工具在解析线粒体转录组动态变化方面的潜力（图3）。在此基础上，作者以巨噬细胞系RAW 264.7为模型，系统研究了M1极化过程中线粒体转录组在丰度和修饰等方面的变化。结合生物学功能实验，作者揭示了一部分RNA修饰在线粒体自身翻译、氧化磷酸化表型调控中的具体作用与分子机制。

图3. CAT-seq 揭示巨噬细胞 M1 极化中线粒体转录组变化

基于此前开发的硫代亚甲基醌蛋白标记探针S-QM（CAT-S 技术，Nat. Commun. 2024, 2712），研究团队结合 O-QM 与 S-QM 的反应偏好差异，进一步建立了 CAT-ortho 技术，实现了 RNA 与蛋白的正交标记。O-QM更易与胞嘧啶发生氢键辅助加成，而S-QM因其共振结构对蛋白亲核位点更敏感，两者在同一体系中实现了正交标记。通过体外RNA与蛋白混合体系、细胞免疫荧光及富集-组学实验，证实了RNA与蛋白能够在同一样品内分别高选择性标记，从而实现多组学同步解析。这对于样本量有限的原代细胞和临床样品尤为重要，因为能够降低批次效应，提升数据可靠性。

总之，CAT-seq与CAT-ortho作为两种基于光催化生物正交反应的新技术，凭借其能够在同一样品中实现时空可控的多类别生物大分子标记的独特优势，为研究线粒体相关生物学过程提供了强大的化学生物学工具。这两项技术不仅为探索线粒体参与细胞分化等过程的分子机制开辟了新途径，也进一步彰显了生物正交光催化技术在亚细胞多组学领域的广泛应用前景和重要价值。

近年来，基于生物正交光催化的 CAT-X 技术体系已逐步完善，目前已建立 11 项成熟方法，形成了从胞内到胞际、从蛋白到 RNA、从细胞到活体的完整工具矩阵。其中，包括用于线粒体蛋白标记的 CAT-Prox（JACS 2021）、细胞膜受体互作解析的 CAT-Ex（Chem 2022）、细胞间互作标记的 CAT-Cell（JACS 2024）、内质网蛋白标记的 CAT-ER（PNAS 2025），以及核酸与蛋白互作解析的 CAX（Angew. Chem. 2022）。在核酸和多组学层面，该团队进一步开发了 CAT-seq和 CAT-ortho（Nat. Chem. 2025），实现线粒体转录组和多组学的同步解析。在原代样品与活体研究方向，建立了 CAT-S（Nat. Commun.2024）、CAT-Tissue（JACS 2025） 和 CAT-NIR（Angew. Chem. 2023），突破了临床和动物样品的应用难题。同时，CAT-Lyso（Nat. Catal. 2025） 也首次实现了溶酶体蛋白的原位标记。整体而言，CAT-X 体系既展现了化学技术在解决生物与医学问题中的独特优势，也体现了国内科研人员在这一新方向上的坚持与稳步推进，为未来基础研究与临床应用奠定了坚实基础。

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Photocatalytic labelling-enabled subcellular-resolved RNA profiling and synchronous multi-omics investigation

Yunpeng Bi, Lishan Yu, Qidong Deng, Linghao Kong, Fuhu Guo, Yuchen Zhang, Ruixiang Wang, Peng R. Chen, Jun Liu & Xinyuan Fan 

Nat. Chem., 2025, DOI: 10.1038/s41557-025-01946-1