CAT-Lyso: 陈鹏/樊新元团队开发生物正交光催化驱动的溶酶体空间蛋白质组学技术-生命科学联合中心

首页 > 科学研究 > 科研进展 > 正文

科研进展

CAT-Lyso: 陈鹏/樊新元团队开发生物正交光催化驱动的溶酶体空间蛋白质组学技术

2025-02-19 点击：

◆ ◆ ◆ ◆

CAT-Lyso: 陈鹏/樊新元团队开发生物正交光催化驱动的溶酶体空间蛋白质组学技术

细胞内的生命活动由亚细胞区室中高度精细的蛋白质网络调控。在活细胞条件下实现亚细胞蛋白质组的原位解析，对深入探索生物学过程及相关疾病机制具有重要意义。其中，溶酶体在自噬、膜修复、抗原呈递以及程序性细胞死亡等关键生物学过程中发挥着核心作用，其蛋白质组的功能失调与溶酶体贮积症、神经退行性疾病及癌症等多种疾病密切相关 【1】 。溶酶体的功能实现依赖于其腔内及膜上的复杂蛋白质网络，但该蛋白质组的组成及动态调控机制仍未得到充分解析。目前的溶酶体蛋白质组研究大多依赖密度梯度离心、磁性分离等物理分离方法。然而，这些方法通常需要对细胞进行裂解，可能导致溶酶体脱离其天然生理状态，且存在样本需求量大、操作繁琐和污染率高等局限性。分子生物学技术的出现虽然在很大程度上解决了这些问题。例如，以酶促邻近标记技术（如APEX、TurboID）为代表的技术，能够在活细胞中实现多种亚细胞蛋白质组的原位标记 【2,3】 。然而，由于溶酶体的固有蛋白水解功能和高度酸性环境，分子生物学技术无法应用于其标记，导致溶酶体的原位标记一直是一个长期存在的挑战。因此，如何在活细胞中实现溶酶体蛋白质组的原位解析，仍是亟待解决的科学难题。

近年来，基于小分子光催化邻近标记的化学生物学方法展现出了巨大的潜力。例如，诺奖得主MacMillan课题组与默克研究人员联合开发了基于光催化产生活性卡宾探针的细胞膜蛋白质邻近标记技术μMap【4】，并在此基础上持续拓展其应用范围。与此同时，北京大学、北大-清华生命科学联合中心陈鹏和樊新元课题组基于光催化反应的研究经验及其独特的反应特点，提出了生物正交光催化反应，并围绕这一新型反应开展了生物体系中的时空化学技术的系统性研究。例如，他们基于光催化产生亚甲基醌标记探针的反应，分别开发了用于细胞内线粒体研究的CAT-Prox技术【5】，用于胞膜受体微环境的CAT-Ex技术【6】，用于胞际互作研究的CAT-Cell技术【7】。同时，他们积极探索生物正交光催化的应用边界，分别从光源波长优化 (CAT-NIR技术)【8】、标记靶标拓展 (CAX技术)【9】、标记探针迭代 (CAT-S技术)【10】等多个方向开展了深入研究，构建了具有系统性、独特性和实用性的技术体系，为生命科学中的化学时空解码提供了重要支撑。随着国内外研究者的共同努力，光催化邻近标记技术研究取得了快速进展，涌现了许多创新技术，为蛋白质组学研究提供了全新的化学工具。

近日，针对上述溶酶体研究面临的问题，北京大学、北大-清华生命科学联合中心陈鹏和樊新元团队在Nature Catalysis上发表了文章 In situ Lysosomal Proteomics Enabled by Bioorthogonal Photocatalytic Proximity Labelling ， 进一步基于生物正交光催化而量身设计了靶向溶酶体的全新型光催化系统，开发了可原位解析溶酶体蛋白质组的邻近标记技术CAT-Lyso。

他们利用化学改性的溶酶体靶向光催化剂（LysoCat） /硫代亚甲基醌（thioQM）探针，通过光催化反应在多种细胞系（包括难以转染的巨噬细胞RAW264.7和B淋巴细胞Raji）中实现溶酶体蛋白质组的高效标记及动态分析，克服了溶酶体特殊的酸性环境和极低的蛋白质丰度带来的研究挑战。凭借原位标记、非遗传操作、高特异性及光控性等优势，CAT-Lyso为活细胞中溶酶体蛋白质组动态研究提供了强有力的工具。这一技术不仅填补了现有邻近标记技术在溶酶体研究中的空白，还为深入探索溶酶体在生理和病理过程中的作用提供了全新视角 （图1） 。

图1. CAT-Lyso技术示意图

作者首先成功开发了一种适用于溶酶体酸性环境的光催化标记体系。该体系基于LysoCat光催化剂与芳基叠氮保护的亚甲基硫醌SF2探针的协同作用，在酸性条件下展现出优异的催化效率。机理研究表明，在可见光激发下，光催化剂可有效激活探针分子生成活性中间体，后者可通过迈克尔加成反应对多种亲核蛋白质残基进行高效标记。作者对LysoCat催化剂进行化学设计和结构优化以实现多重功能：吗啉基团的引入赋予其特异性溶酶体靶向能力，而催化中心的乙酰基保护策略不仅显著提升了分子的细胞膜通透性，还可在胞内酶作用下自发脱保护，恢复光催化活性。通过免疫荧光成像和蛋白质印迹分析等，作者在多种细胞系中证明了该体系具有优异的溶酶体定位特异性、酸性环境兼容性及高效的蛋白质标记能力。

作者进一步将CAT-Lyso体系与蛋白质质谱技术相结合，成功构建了高效的溶酶体蛋白质组学分析平台。实验数据表明，相较于传统基于溶酶体物理分离的方法（特异性约11%），CAT-Lyso技术在多种细胞系中展现出显著提升的溶酶体特异性（＞40%）。该技术不仅能够系统解析不同细胞类型中溶酶体的异质性特征，还揭示了溶酶体蛋白质组与细胞特异性生理功能间的分子关联。另外，利用该平台，研究团队也成功鉴定发现了SCAMP3、NAGPA、GLG1和MFSD14B等潜在的新型溶酶体相关蛋白。此外，CAT-Lyso技术还被应用于刺激条件下的溶酶体动态蛋白质组学分析，揭示了在雷帕霉素介导的mTOR抑制条件下细胞中显著的铁蛋白自噬（ferritinophagy）现象，并阐明癌细胞通过调控铁稳态相关通路（如FTH1、FTL等）来维持细胞内铁代谢平衡的分子机制。

总之， CAT-Lyso技术的开发填补了邻近标记技术在溶酶体研究中的空白 ，遵循了从底层概念创新到技术突破，再到科学问题的解析这一科学研究的核心路径。基于生物正交光催化的创新光催化邻近标记体系，CAT-Lyso成功克服了溶酶体的特殊环境和高蛋白水解活性等问题，为溶酶体在细胞代谢调控、信号转导及疾病发生中的分子机制研究提供了有力的技术支撑，展现了生物正交光催化这一新兴化学生物学技术在复杂生命体系研究中的独特优势和应用潜力。

北京大学化学与分子工程学院樊新元和北大-清华生命科学联合中心陈鹏教授为本文的通讯作者，博士后张妍、刘子琦与博士研究生周南与为本文的共同第一作者。

原文链接： https://doi.org/10.1038/s41929-025-01298-6

陈鹏

北京大学化学与分子工程学院教授

北大-清华生命科学联合中心PI

实验室主页：

https://www.chem.pku.edu.cn/chenpeng/research/index.htm

研究领域：

致力于活细胞化学反应的开发与应用。系统建立了活细胞化学工具平台，提出并发展了“生物正交剪切反应”，突破了在活细胞内研究蛋白质功能的技术瓶颈，并应用于生命机制研究和蛋白质药物开发，开拓了生物正交反应新方向，为生命科学的研究和重大疾病的诊疗提供技术创新。具体研究方向如下：

生物正交反应：开发面向生命活体的化学反应与操纵技术；

蛋白质工程与组学：蛋白质工程、蛋白质组学、“时-空”多维组学；

免疫化学生物学：免疫系统中的细胞相互作用、功能机制调控及免疫治疗。

参考文献

1. Perera, R.M. & Zoncu, R. The lysosome as a regulatory hub. Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 32, 223-253 (2016).

2. Rhee, H.-W. et al. Proteomic mapping of mitochondria in living cells via spatially restricted enzymatic tagging. Science 339, 1328-1331 (2013).

3. Branon, T.C. et al. Efficient proximity labeling in living cells and organisms with TurboID. Nat. Biotechnol. 36, 880-887 (2018).

4. Geri, J. B. et al. Microenvironment mapping via dexter energy transfer on immune cells. Science 367, 1091-1097 (2020).

5. Huang, Z. et al. Bioorthogonal photocatalytic decaging-enabled mitochondrial proteomics. J. Am. Chem. Soc. 143, 18714-18720 (2021).

6. Liu, Z. et al. Spatially resolved cell tagging and surfaceome labeling via targeted photocatalytic decaging. Chem 8, 2179-2191 (2022).

7. Zhang, Y. et al. Bioorthogonal quinone methide decaging enables live-cell quantification of tumor-specific immune interactions. J. Am. Chem. Soc. 146, 15186–15197 (2024).

8. Liang, X. et al. Near Infrared Light-Triggered Photocatalytic Decaging for Remote-Controlled Spatiotemporal Activation in Living Mice. Angew. Chem. Int. Ed. 62, e202310920 (2023).

9. Luo, H. et al. Photocatalytic Chemical Crosslinking for Profiling RNA–Protein Interactions in Living Cells. Angew. Chem. Int. Ed. 61, e202310920 (2022).

10. Liu, Z. et al. Bioorthogonal photocatalytic proximity labeling in primary living samples. Nat. Commun. 15, 2712 (2024).