《Current Opinion in Chemical Biology》：Photocatalytic proximity labeling in primary samples
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光催化近场标记（PPL）通过光活化小分子催化剂实现非基因编辑标记，解决了传统酶法在原样本（如新鲜细胞、组织）中基因改造和空间干扰的难题，已应用于亚细胞蛋白组学、细胞表面蛋白互作及组织细胞间相互作用分析，但需优化效率、特异性和组织兼容性。
郭浩天|范新元
合成与功能性生物分子中心，教育部生物有机化学与分子工程重点实验室，北京国家分子科学实验室，北京大学化学与分子工程学院，北京100871，中国
原始样本，包括新鲜分离的细胞、组织和临床标本，能够保持其天然的生理状态和微环境，这使得它们在理解健康和疾病状态下的生物系统方面具有特别的价值。邻近标记（Proximity Labeling, PL）已成为一种强大的策略，用于原位探究分子相互作用网络。然而，传统的基于酶的方法往往难以应用于原始样本，因为这些方法依赖于基因操作和持续的外源表达。光催化邻近标记（Photocatalytic Proximity Labeling, PPL）提供了一种非基因性的替代方法，其中小分子光催化剂在光照下激活标记探针，从而能够在广泛的背景下实现时间控制和空间定位的共价标记。本综述总结了PPL在原始样本应用中的最新进展，包括细胞器分辨率蛋白质组学、细胞表面蛋白相互作用分析、组织中的细胞-细胞相互作用分析以及体内研究，还有新兴的免疫工程应用。尽管已经报道了多种光催化系统和探针化学方法，但它们在原始细胞和组织中的评估和部署仍处于早期阶段，这反映了在天然生物环境中对效率、特异性和稳健性的更高要求。我们讨论了反应化学、催化剂靶向和长波长激活方面的进展如何开始应对这些挑战，并概述了将PPL扩展到更广泛原始样本应用中的关键机会和限制。预计继续开发针对原始样本的光催化工具包将有助于更直接地探究天然生物系统，为细胞组织、组织级通讯和疾病相关的分子重塑提供宝贵的见解。
引言
生命系统的功能依赖于高度有序的分子和细胞相互作用网络，这些网络协调着多种生物过程。这些相互作用是动态的、依赖于特定环境的，并且受到严格调控，其扰动与癌症和神经退行性疾病等病理状况密切相关[1,2]。原始样本，包括新鲜分离的细胞、组织和临床标本，能更好地保留其天然的生理状态和微环境，因此提供了最接近体内条件的实验模型[3]。因此，能够直接在原始样本中探究分子和细胞相互作用网络对于推进基础生物学理解和转化研究至关重要。
邻近标记（Proximity Labeling, PL）已成为一种强大的策略，用于绘制生物分子组成（如局部蛋白质组）以及生命系统中的相互作用网络[4,5]。通过在目标附近的空间有限区域内生成短寿命的反应物种，PL能够原位共价捕获邻近的蛋白质及其相互作用伙伴[6]。基于酶的PL方法，包括BioID [5]、TurboID [7] 和 APEX [4]，已在多种应用中展现出广泛的实用性，从亚细胞蛋白质组学[8]和转录组学[9]到相互作用组[6]的绘制以及细胞-细胞相互作用分析[10]。尽管取得了这些成功，但传统的基于酶的PL方法通常依赖于基因操作来表达酶-目标融合构建体，这对原始样本来说是一个重大挑战[11]。许多原始细胞和组织难以转染或维持稳定的表达，而且外源表达所需的时间可能与它们的有限实验窗口不兼容。此外，PL酶（28–44 kDa）[6]本身的空间阻碍可能会干扰目标蛋白的天然相互作用。
光催化邻近标记（Photocatalytic Proximity Labeling, PPL）作为一种替代策略，最近出现了，它解决了其中的一些限制[12, 13, 14, 15]（图1）。在PPL中，小分子光催化剂取代了酶催化剂，并在光照下驱动标记反应。光激发的催化剂可以引发电子转移或能量转移过程，从而从标记探针生成反应中间体，实现对附近生物分子的共价标记，并具有时间控制[16,17]。PPL的一个关键优势是它不依赖于基因操作，这使得它特别适用于那些难以进行基因工程的原始样本，尽管一些研究人员也使用了HaloTag进行催化剂靶向[18,19]。此外，使用外部光作为触发因素可以提供精确的时间控制，而催化剂靶向和反应中间体的寿命则提供了调节空间分辨率的机会。这些特点共同使PPL成为一种多功能的方法，可以直接在原始生物环境中探究蛋白质相互作用和细胞间通讯。
鉴于对直接分析天然生物样本的兴趣日益增加，以及已有几篇全面综述涵盖了光催化邻近标记的一般原理[12, 13, 14, 15]，本综述特别关注了PPL的最新发展和应用，这些应用能够直接探究原始样本，包括原始细胞、组织和临床相关标本。我们强调了方法学上的进步如何开始解决原始样本的独特限制，并讨论了将PPL扩展到更广泛生物学和转化应用中的剩余挑战和机会。
部分摘要
原始样本中细胞表面蛋白相互作用的光催化分析
研究细胞膜蛋白相互作用是细胞生物学的核心[20]，因为膜蛋白介导信号转导、细胞-细胞通讯以及与外部环境的相互作用，同时它们也是一类主要的治疗靶点[21,22]。与细胞内蛋白相比，膜蛋白可以直接从外部空间访问，这便于通过抗体（Ab）或纳米体（Nb）进行精确的靶向
原始样本中的亚细胞器蛋白质组学
用于细胞内应用的光催化邻近标记（PPL）方法在2020年代初开始出现。与细胞表面分析的发展同步，引入了几种能够在细胞内实现空间分辨标记的策略。例如，Tamura等人报道了一种基于二溴荧光素/苯胺对通过单线态氧化学进行核蛋白标记的方法[40]，而Wang等人开发了一种使用罗丹明的线粒体标记策略
原始样本中细胞-细胞相互作用的探究
细胞-细胞相互作用（CCIs）在免疫调节、肿瘤微环境组织和组织发育中起着核心作用。这些相互作用通常是短暂的、空间受限的，并且高度依赖于特定环境，因此在天然生物环境中直接对其进行表征特别具有挑战性[51,52]。光催化邻近标记（PPL）最近作为一种化学策略出现，它通过将物理上的细胞-细胞接触转化为稳定的分子读数来捕获CCIs
总结与展望
直接探究原始样本越来越被认为对于理解其在天然生理和病理条件下的生物过程至关重要。然而，传统的基于酶的邻近标记方法在原始细胞和组织中的实施一直很困难，这主要是由于它们依赖于基因操作、与短暂实验窗口的兼容性有限，以及可能干扰内源性相互作用网络。随着...
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报道工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（22541701、92478119、22321005）、国家重点研发计划（2024YFA0917503、2022YFA1304700）、北京市自然科学基金（Z250015）以及勃林格殷格翰青年教师研究奖（X.F.）的财政支持。
