多尺度空间蛋白质组学的邻近标记技术：从细胞器接触位点到细胞间与器官间通讯

《Biochemical and Biophysical Research Communications》：Proximity labeling technologies for multiscale spatial proteomics: from organelle contact sites to intercellular and inter-organ communication

　　

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  邻近标记技术现已实现跨生物尺度的分子邻域映射。
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  化学反应与靶向几何决定了每个平台所提供的证据类型。
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  接触门控标记技术在细胞器界面处映射动态蛋白质组。
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  顺序标记技术解析从来源到目的地的蛋白质转运过程。
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  邻近标记（PL）将空间蛋白质组学从细胞器扩展到细胞和通讯器官层面。

引言

蛋白质相互作用和分子通讯网络通过协调细胞信号传导与代谢调控来维持稳态 [1]。这些过程在多个尺度上进行空间组织，从细胞器内的蛋白质邻域到细胞间通讯，再到器官间的协调调控 [2]、[3]。在细胞内，专一性功能依赖于蛋白质向特定膜或亚室的定位及其组装为信号复合体 [4]。例如，心脏二联体将L型Ca²⁺通道置于与兰尼碱受体接近的位置，以支持兴奋-收缩耦联 [5]、[6]。配体-受体相互作用和间隙连接协调相邻细胞间的通讯。通讯还涉及细胞外囊泡和分泌因子，它们可以在局部或远处器官之间发挥作用 [2]、[3]、[7]。

蛋白质-蛋白质相互作用通常通过共免疫沉淀（Co-IP）或能量转移方法（如F?rster共振能量转移（FRET）和生物发光共振能量转移（BRET））来研究 [8]、[9]、[10]、[11]、[12]。然而，在完整细胞中将广泛的蛋白质覆盖范围与空间和时间信息相结合仍然具有挑战性。Co-IP需要细胞裂解和提取，这会破坏天然空间组织；微弱或瞬时结合可能在纯化过程中丧失 [8]、[14]。FRET和BRET分别通过荧光或生物发光供体向荧光受体的非辐射能量转移来监测邻近性 [9]、[10]、[11]、[12]。邻近标记（PL）通过原位空间限定的共价标记来解决这一空白。在细胞裂解前，位于已定义诱饵或靶向区室附近可及的蛋白质会被标记，从而保留其局部环境的分子记录，供后续富集和鉴定使用 [13]、[14]。典型的基于酶的工作流程从表达目标-酶融合蛋白开始（图1，步骤1）。随后启动局部标记（步骤2），接着对标记蛋白进行富集和LC-MS/MS鉴定（步骤3）。化学靶向提供了其他定位反应的方法。配体或细胞器分配探针可以定位标记试剂，包括光催化剂，而无需使用遗传编码的酶融合蛋白。TurboID [15]和APEX2 [16]支持快速标记，LOV-Turbo增加了光控 [17]，TyroID允许细胞外采样 [18]。拆分系统可以将活性限制在选定位点 [19]、[20]、[21]。TransitID [22]和正交双酶策略 [23]使用可区分的标签将不同位置或时间采样的蛋白质群联系起来。本综述比较了跨细胞器、细胞间和有机体尺度的邻近标记工具，重点关注不同标记酶的特性如何适应特定的生物应用。我们考虑每种酶在哪里进行标记，以及其化学特性如何影响回收的蛋白质。当目标是追踪变化中的界面或移动的蛋白质群时，标记窗口同样重要。通过在特定实验设置中讨论这些特性，我们阐明了每种方法可以揭示什么，以及在何处需要额外验证。这一比较旨在引导读者选择与其研究尺度相适应的标记酶和实验设计。

章节摘要

过氧化物酶基标记

过氧化物酶基标记在选定位置生成短寿命的反应活性物种。基于HRP的已建立标记使用芳基叠氮探针来绘制细胞表面分子簇 [24]，而酪胺基方法则利用H₂O₂驱动的苯氧自由基化学 [25]。细胞内应用推动了APEX的工程化开发。工程化抗坏血酸过氧化物酶最初被开发为遗传编码的透射电镜报告基因，在还原性细胞质环境中仍能保持活性。

跨生物尺度的空间界面

空间邻近标记研究考察局部蛋白质环境如何与相邻结构相关联。在细胞器接触位点和细胞-细胞连接处，界面关联蛋白必须与分布在膜上其他位置的蛋白质区分开来。探针导向标记将这一分析扩展到通过靶标结合或聚集体识别来选择的环境。随后通过成像和扰动来检验富集的蛋白质是否对这些结构的组织或功能有贡献。

跨生物尺度的分子转运

分子转运由起点与终点之间的关系定义。这些位置可以是同一细胞中的两个区室、不同细胞中的区室，或通过循环系统分隔的组织。组织需求保持不变：保留来源身份的同时独立确立到达。我们比较了顺序标记和来源选择性分泌组分析如何满足这一需求，以及在何处需要额外证据将转运与特定路径联系起来。

讨论

十多年的邻近标记（PL）开发已将邻近蛋白质组学从以诱饵为中心的相互作用组发现方法转变为映射跨生物尺度分子通讯的空间分辨工具家族。标记速度的提升伴随着对反应发生位置更精确的控制，以及可追踪蛋白质至初始标记位点之外的设计方案。BioID通常需要18-24小时的标记 [14]，而TurboID/miniTurbo和APEX/APEX2实现了分钟级别的

结论

邻近标记（PL）现已能够映射膜界面以及以诱饵为中心的邻域。来源分辨设计将其应用扩展到蛋白质运动，通过保留细胞来源信息来实现。其价值取决于将酶化学特性和靶向几何与生物学问题相匹配，并在其支持的证据水平上解释每项结果。空间界面研究将蛋白质邻域与对接或接受结构联系起来；转运研究将标记的来源与独立

CRediT作者贡献声明

王静：指导、概念化。陈丹华：写作-审稿与编辑、写作-原始稿撰写、可视化、验证、指导、资源、方法学。赵红梅：指导、方法学、资金获取、概念化。赵海龙：指导、方法学、概念化

利益声明

无利益冲突。

写作辅助

在本工作的准备过程中，作者使用了OpenAI Codex进行文献综述和句子润色。作者对输出内容进行了审阅和编辑，对已发表文章的内容承担全部责任。

研究伦理

不适用。本综述性文章不报告涉及人类参与者或动物的新研究。

数据可用性

本综述中未生成或分析新数据。

资金支持

由国家重点实验室复杂、严重和罕见疾病独立研究基金支持（项目编号2025-I-PY-009）。四川省自然科学基金（编号2024NSFC0715）

利益冲突声明

? 作者声明，他们没有已知的竞争经济利益或个人关系可能会影响本文所报告的工作。

致谢

无

陈丹华|赵海龙|赵红梅|王静