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邻近标记技术革新蛋白质动态研究

web 2025/6/23 6:06:56

蛋白质是细胞生命活动的直接执行者和功能体现者，其在细胞内的动态变化——包括蛋白质之间的相互作用、亚细胞定位的迁移、翻译后修饰的调控以及合成与降解的速率——对于理解细胞信号传导、生长发育、分化、应激反应以及维持稳态至关重要。当这些动态过程发生异常时，往往会导致疾病的发生和发展。因此，深入研究蛋白质的动态行为是揭示生命奥秘和攻克疾病的关键。

传统的蛋白质研究方法，如酵母双杂交 (Yeast Two-Hybrid, Y2H) 系统，虽然能够筛选潜在的蛋白质相互作用，但其在酵母细胞核内进行，可能无法反映蛋白质在哺乳动物细胞或其他亚细胞区室的真实互作情况，且易产生假阳性结果。免疫共沉淀-质谱联用 (Co-IP-MS) 是研究蛋白质相互作用的经典方法，它依赖于高特异性的抗体，能够富集与目标蛋白结合的复合物。然而，Co-IP在裂解细胞后进行，可能破坏一些在活细胞内存在的弱或瞬时相互作用，并且难以区分直接结合和间接结合的蛋白。亲和纯化-质谱联用 (AP-MS) 也面临类似问题，尤其是在处理膜蛋白或大型蛋白复合物时，其溶解和纯化过程可能导致相互作用丢失或引入非特异性结合 (PMC)。这些传统方法在原位分析、捕捉高度动态的蛋白质行为以及提供高时空分辨率信息方面存在固有局限性。

为解决上述问题，邻近标记 (Proximity Labeling, PL) 技术应运而生，其核心原理是将一个具有催化活性的标记酶（如过氧化物酶、生物素连接酶）或光敏剂与目标蛋白融合表达，在特定底物存在的情况下，该标记酶/光敏剂被激活后，会催化产生高反应活性的小分子标记物，这些活性标记物从酶的活性位点扩散出来，在极短的时间内与空间上邻近的其他生物大分子发生共价连接。随后，通过标记物上的亲和标签可以特异性地富集这些被标记的分子，并利用质谱或高通量测序技术进行鉴定和定量分析，从而揭示目标蛋白在天然细胞环境中的动态“邻近组”。

PL技术的出现，极大地推动了对细胞信号传导、代谢调控等重要生物过程的深入理解。它使得研究者能够在活细胞甚至活体模式生物中捕捉到传统方法难以捕获的瞬时或弱亲和力的相互作用，并以前所未有的时空分辨率解析蛋白质动态网络。

邻近标记技术在蛋白质动态研究中的应用

1、蛋白质相互作用网络构建：PL技术能够系统性地鉴定特定“诱饵”蛋白质在细胞内的相互作用伴侣，从而构建全面的蛋白质相互作用网络图谱。这有助于发现新的信号通路组分、调控因子或蛋白质复合物成员。通过比较在不同生理或病理条件下（如细胞应激、药物处理、基因突变）的互作网络动态变化，可以揭示蛋白质功能调控的复杂机制。PL技术尤其擅长捕捉那些传统方法难以检测到的弱亲和力或瞬时发生的相互作用。

2.亚细胞器蛋白质组解析：通过将标记酶靶向至特定的亚细胞器（如线粒体、内质网、高尔基体等），PL技术可以高特异性地标记并鉴定该细胞器的蛋白质组成，即所谓的“细胞器蛋白质组”。这不仅可以确认已知的定位蛋白，更重要的是能够发现新的、未被注释的细胞器蛋白及其潜在功能。此外，PL技术也成功应用于研究亚细胞器之间的膜接触位点 (Membrane Contact Sites, MCS) 的蛋白质组，这些位点在细胞内物质交换和信号传递中扮演重要角色。

3、神经退行性疾病中鉴定神经炎症相关蛋白：神经炎症是神经退行性疾病发生发展中的一个重要环节，主要由小胶质细胞和星形胶质细胞等神经胶质细胞介导。在这些胶质细胞中应用PL技术，可以研究它们在神经炎症反应激活、信号传导以及与神经元相互作用过程中的关键蛋白质及其动态变化。

4、癌症研究中药物靶点发现与验证：PL技术在抗癌药物研发中也显示出巨大潜力。一方面，它可以用于筛选与已知药物靶点相互作用的蛋白质，从而更深入地理解药物的作用机制、发现潜在的药物协同作用或耐药机制。另一方面，通过比较癌细胞与正常细胞在特定亚细胞区域（如细胞膜受体附近、细胞器内）的蛋白质组或互作组差异，PL技术能够帮助鉴定那些在癌细胞中特异性表达或发生异常相互作用的蛋白质，这些蛋白质可能成为新的癌症诊断生物标志物或更精准的治疗靶点。

5、研究病原体-宿主相互作用：病原体（病毒、细菌、真菌、寄生虫等）的感染和致病过程，本质上是病原体与宿主细胞之间一系列复杂的分子相互作用的结果。通过将PL酶与病原体蛋白（如病毒的包膜蛋白、复制酶，细菌的效应蛋白）或宿主细胞中被病原体劫持的关键蛋白融合表达，可以鉴定病原体蛋白与宿主蛋白的相互作用网络。这有助于揭示病原体如何入侵细胞、复制扩增、逃避宿主免疫监视、以及引发细胞损伤和疾病的分子机制。