《Cell》斯坦福大学跟踪活细胞中的蛋白质运输

斯坦福大学的Alice Ting领导的研究人员为了记录蛋白质在细胞不同区域或不同细胞之间的完整旅程，设计了一种新的标记系统，可以对活细胞进行非常详细和动态的观察。

我们DNA中的遗传计划通过蛋白质实现功能，蛋白质是我们身体结构和活动的基础。然而，蛋白质组——一个细胞或给定区域内的所有蛋白质——仍然相对神秘，因为蛋白质景观非常复杂。例如，人类可以制造成千上万种不同的蛋白质。

为了帮助破译这种复杂性，斯坦福大学的一个研究小组领导了一种名为TransitID的新方法的开发，用于跟踪活细胞中蛋白质的完整活性。6月28日发表在《Cell》杂志上的一篇论文详细介绍了这种方法。

用于这项任务的现有技术，显微镜和质谱蛋白质组学，要么允许科学家一次只研究活细胞中的少数蛋白质，要么提供一个非常详细的，但仍然是死细胞中所有蛋白质的快照。

“我们的新技术可以让你结合显微镜和质谱蛋白质组学的优势，通过实际观察活样本——包括它们运动和功能时的动态——同时以公正的方式观察所有蛋白质，”斯坦福大学医学院遗传学教授、人文科学学院生物学教授Alice Ting说。“以前还没有把这些优势结合起来的方法。”

TransitID也对细胞间移动的蛋白质起作用。在这种水平上追踪蛋白质的细节和活力，可以揭示关于细胞如何交流的未知信息。此外，在研究各种疾病和治疗方面也有明显的应用，包括在癌症和神经退行性疾病领域。

斯坦福大学博士候选人、该论文的共同主要作者Joleen Cheah说:“这项技术有如此广泛的应用，这令人兴奋。我们已经收到了许多关于TransitID的咨询，并与其他有兴趣使用它的实验室建立了许多合作关系。”

简而言之，TransitID通过在选定的起始和结束位置的一定半径内标记所有分子来跟踪特定旅程中的所有蛋白质。首先，Ting实验室之前开发的两种酶，分别叫做TurboID和APEX，被放置在旅程的两端。当研究人员准备开始他们的蛋白质监测时，他们引入了维生素B生物素，这使得TurboID将生物素喷洒到所有周围的分子上——包括蛋白质——并标记它们。然后，研究人员清洗细胞中多余的生物素，让它继续正常活动。当他们认为蛋白质有足够的时间移动时，他们就会添加化合物炔-酚，这会在APEX端产生相同的喷洒作用。

研究人员通过分解细胞膜并分析其内容物来解释在标记位置之间移动的蛋白质的个别漂移。一些蛋白质永远不会移动，要么只有TurboID标签，要么只有APEX标签。那些两者兼得的人，在两者之间旅行。任何没有标签的东西都在兴趣之旅之外。

为了测试他们的工具，研究人员首先进行了两个实验，详细说明了已知的蛋白质活性。他们监测了在细胞质液体(细胞质溶胶)和线粒体之间移动的蛋白质，这些蛋白质的存在与线粒体DNA的产物相反，因此起源于线粒体。在接下来的实验中，研究人员追踪了当细胞经历氧化应激时，蛋白质从细胞质到细胞核的运动是如何变化的。这两个实验的结果都如预期的那样，这意味着TransitID工作成功。

接下来，研究人员使用他们的技术来研究蛋白质在细胞中没有被膜结合的部分的运输情况，特别是压力颗粒，这是蛋白质和RNA的凝聚，是对细胞压力的反应。

生物分子凝聚物，如应力颗粒，是高度动态的结构，可以快速持续地与相关结构交换成分。TurboID让我们第一次能够追踪这些成分的命运，这个实验的结果令人惊讶。当研究人员分析应激颗粒的蛋白质组时，他们发现了JUN，这是一种众所周知的转录因子，在多种癌症中上调/过度表达。

“以前没有人在压力颗粒中发现过它，”Ting说。“所以，当我们在那里找到它时，我们几乎不相信它。”

在确认其存在后，研究人员进一步探索并确定JUN似乎作为一种保护机制存在于应力颗粒中。他们发现，在氧化应激下，JUN重新定位到压力颗粒中，以避免其替代应激反应——聚集在一起，然后被处理为不受欢迎的聚集混乱——这使JUN保持健康，并在压力结束后恢复工作。

本文最后的TransitID实验追踪了巨噬细胞和癌细胞之间的蛋白质活性，而巨噬细胞存在于一个众所周知的复杂和嘈杂的蛋白质环境中。

世界各地的实验室已经收到了数千份对TurboID和APEX的请求，作为对之前工作的回应，研究人员知道他们对这些现有的热门项目的新尝试一定会在基础科学和应用科学方面取得令人兴奋的结果。

这个工具是一个特别重要的突破，使研究凝析物成为可能，因为它们是高度动态的结构。

“我对这种方法的简单性和易用性感到兴奋，因为它已经存在了，”Ting说。“它使用市售试剂，人们不必在自己的实验室里做任何有机化学来使用这种方法，但他们可以接触到以前不可见的全新生物学。”

该团队仍然看到了改进的空间，特别是旨在优化他们的工艺并依赖更少毒性的化学物质。目前，TransitID仅限于在细胞培养中使用，但如果使用更温和的化学物质，它可以用来追踪活体动物体内详细的蛋白质动力学。

Dynamic mapping of proteome trafficking within and between living cells by TransitID