BioID技术在宿主-病原体相互作用领域的应用

细菌感染是全球公共卫生的重大威胁，而抗生素耐药性的提升使我们迫切需要深入了解宿主 -病原体相互作用。细菌病原体通过分泌效应蛋白，操纵宿主细胞以建立感染。这些效应蛋白通过与宿主蛋白相互作用，改变宿主细胞功能，但传统研究方法在揭示这些相互作用时存在诸多困难，如弱相互作用难以捕获、膜蛋白相关相互作用研究受限等。

细菌效应蛋白与宿主蛋白相互作用图

BioID是一种基于邻近标记的蛋白质相互作用识别技术。它的核心是将生物素连接酶与目标蛋白（如细菌效应蛋白）的融合蛋白在宿主细胞内表达。在生物素存在下，融合蛋白能催化邻近蛋白的赖氨酸残基发生生物素标记。随后，通过链霉亲和素亲和纯化和质谱分析，识别出被生物素标记的邻近蛋白，从而揭示与目标效应蛋白相互作用或邻近的宿主蛋白。目前，BirA*、BioID2、TurboID、miniTurbo、AirID 等多种生物素连接酶被广泛使用，它们在标记时间、活性、大小和毒性等方面各有特点。

BioID示意图

BioID在宿主-病原体与细菌的相互作用中的应用

一、鉴定细菌效应蛋白与宿主相互作用

在沙门氏菌效应蛋白的研究中，BioID技术成功鉴定了多个已知和新的宿主相互作用蛋白。与传统的AP-MS方法相比，BioID能够识别出八种已知的宿主-病原体相互作用，而AP-MS仅检测到两种。此外，BioID还发现了381个宿主蛋白作为候选相互作用蛋白，并通过共免疫沉淀验证了其中的六个，揭示了SifA与宿主BLOC-2复合体的相互作用对于SCV定位和稳定性的重要性。

BioID与IP-MS的平行分析

二、在植物系统研究中的应用

Conlan等在烟草相关宿主植物本烟草中开发了一个快速的in planta BioID系统，发现了四个新的候选相互作用蛋白。Khan等在拟南芥中应用BioID技术，研究了铜绿假单胞菌效应蛋白 HopF2与宿主膜蛋白的相互作用，鉴定了19个独特的膜相关宿主蛋白。

BioID 识别植物蛋白质相互作用

三、其他应用案例

Jiang等利用TurboID研究了猪链球菌分泌的毒力蛋白SLY与宿主细胞表面蛋白的相互作用，发现SLY可与ARF6和PNN等宿主蛋白相互作用，并揭示了ARF6在SLY诱导的细胞毒性等过程中的作用。Ward等通过BioID技术研究了艰难梭菌毒素B（TcdB）与宿主细胞表面及细胞内因子的相互作用，利用重组蛋白与TurboID的融合蛋白，鉴定了多个候选相互作用蛋白，包括已知的受体如LRP1和FZD2等。

用 TurboID 融合蛋白对蛋白毒素进行细胞表面标记

总结

BioID技术作为一种新兴的基于邻近标记的蛋白质相互作用识别方法，在宿主-病原体相互作用研究中展现出了巨大的潜力。它能够有效克服传统方法在研究弱/瞬时相互作用和膜蛋白相关相互作用方面的局限，为揭示细菌效应蛋白与宿主蛋白之间的复杂相互作用网络提供了新的视角和有力工具。尽管BioID技术存在一些局限性，但通过与其他技术的结合和优化，这些问题可以在很大程度上得到解决。未来，随着BioID技术的不断发展和完善，其在宿主-病原体相互作用研究中的应用将更加广泛，有望为深入理解病原体感染机制和开发新的治疗策略提供更丰富的信息和更坚实的理论基础。

参考文献：

1. Mocăniță M, Martz K, D'Costa VM. Characterizing host-microbe interactions with bacterial effector proteins using proximity-dependent biotin identification (BioID). Commun Biol. 2025;8(1):597. Published 2025 Apr 10. doi:10.1038/s42003-025-07950-y
2. Ward JS, Schreiber KJ, Tam J, Youn J-Y, Melnyk RA. Mapping C. difficile TcdB interactions with host cell-surface and intracellular factors using proximity-dependent biotinylation labeling. mBio. 2025;16(2):e0333624. doi:10.1128/mbio.03336-24
3. Jiang C, Zhou P, Zhang X, et al. ARF6 promotes Streptococcus suis suilysin induced apoptosis in HBMECs. Int J Biol Macromol. 2024;268(Pt 2):131839. doi:10.1016/j.ijbiomac.2024.131839
4. Conlan B, Stoll T, Gorman JJ, Saur I, Rathjen JP. Development of a Rapid in planta BioID System as a Probe for Plasma Membrane-Associated Immunity Proteins. Front Plant Sci. 2018;9:1882. Published 2018 Dec 18. doi:10.3389/fpls.2018.01882