細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)之間的相互作用構(gòu)成了維系生命活動(dòng)的基本網(wǎng)絡(luò)。這些蛋白質(zhì)常以穩(wěn)定或動(dòng)態(tài)的方式組裝于特定的亞細(xì)胞區(qū)域，形成具有功能特異性的“亞細(xì)胞社群”，共同參與細(xì)胞的代謝、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、應(yīng)激響應(yīng)等多種關(guān)鍵過(guò)程。以哺乳動(dòng)物細(xì)胞為例，細(xì)胞內(nèi)部高度區(qū)室化，不同蛋白在空間上呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)分布。例如，在應(yīng)激顆粒（stress granules, SGs）等無(wú)膜細(xì)胞器中，大量蛋白可被招募進(jìn)入，并根據(jù)其結(jié)合親和力和動(dòng)力學(xué)行為被劃分為“核心”與“外殼”蛋白，構(gòu)成凝聚體結(jié)構(gòu)。這些復(fù)雜的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)對(duì)蛋白質(zhì)功能的實(shí)現(xiàn)和調(diào)控具有重要意義。

空間蛋白質(zhì)組學(xué)被Nature methods雜志評(píng)選為2024年的年度技術(shù)，鄰近標(biāo)記（Proximity Labeling, PL）技術(shù)在空間蛋白質(zhì)組學(xué)中顯示出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。其中，光催化鄰近標(biāo)記通過(guò)外源光照激活光催化劑觸發(fā)標(biāo)記反應(yīng)，具有很高的時(shí)間分辨率，為捕捉快速、動(dòng)態(tài)的蛋白互作事件提供了全新路徑。該技術(shù)通常將HaloTag與靶蛋白融合，通過(guò)HaloTag連接光催化劑，從而實(shí)現(xiàn)遺傳編碼的靶蛋白鄰近標(biāo)記解析。然而，外源光照除了可以激活HaloTag上偶聯(lián)的光催化劑，同樣也會(huì)激活細(xì)胞里游離的光催化劑，包括FMN（黃素單核苷酸）等內(nèi)源光敏小分子，從而帶來(lái)較高的非特異標(biāo)記。同時(shí)，可見(jiàn)光照射也會(huì)帶來(lái)較大的細(xì)胞毒性，影響正常生理功能。更為重要的是，可見(jiàn)光的組織穿透力較差，因此限制了光催化鄰近標(biāo)記在活體動(dòng)物中的應(yīng)用。因此，亟需開(kāi)發(fā)低背景、低毒性和活體兼容的光催化鄰近標(biāo)記技術(shù)，推動(dòng)其在活體生物學(xué)體系中的時(shí)空蛋白質(zhì)組學(xué)應(yīng)用。

為克服以上挑戰(zhàn)，秦為課題組開(kāi)發(fā)了新型光催化鄰近標(biāo)記技術(shù)——BRET-ID（圖1），該技術(shù)利用熒光素酶NanoLuc在細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生生物源光，并通過(guò)生物發(fā)光共振能量轉(zhuǎn)移（BRET）效應(yīng)激活相鄰遺傳編碼的光催化劑，而游離的光敏小分子則因?yàn)榫嚯x效應(yīng)無(wú)法被激活，克服了其帶來(lái)的非特異標(biāo)記和毒性問(wèn)題。同時(shí)，NanoLuc及其底物furimazine已經(jīng)被證明在活體成像中具有廣泛應(yīng)用性，它取代外源光照后也將賦予光催化鄰近標(biāo)記以活體兼容性。