Cell：利用TransitID动态绘制活细胞内和活细胞间的蛋白质组转运

我们DNA中的遗传计划通过蛋白实现了功能，而蛋白是我们身体结构和活动的基础。然而，蛋白质组---细胞或特定区域内的所有蛋白---仍然是相对神秘的，因为蛋白景观是非常复杂的。例如，人类制造了数以万计的不同蛋白。

为了帮助破译这种复杂性，在一项新的研究中，来自美国斯坦福大学的研究人员领导开发了一种名为TransitID的新方法，用于追踪活细胞中蛋白的完整活性。相关研究结果于2023年6月28日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“Dynamic mapping of proteome trafficking within and between living cells by TransitID”。

实现这一任务的现有技术，即显微镜和质谱蛋白质组学，要么允许科学家们在活细胞中一次只研究少数几种蛋白，要么提供一个非常详细的但仍然是死细胞中所有蛋白的快照。

论文通讯作者、斯坦福大学医学院遗传学教授Alice Ting说，“我们的新技术允许人们结合显微镜和质谱蛋白质组学的优势，实际观察活体样本--包括它们移动和发挥功能时的动态变化，并以无偏见的方式一次观察到所有的蛋白。以前还没有结合这些优势的方法。”

TransitID也适用于追踪在细胞间移动的蛋白。在这种水平上追踪蛋白的细节和活性，可能能够揭示关于细胞如何交流的未知信息。此外，它在各种疾病和治疗方法的研究中也有明显的应用，包括在癌症和神经退行性疾病的领域。

论文共同第一作者、斯坦福大学博士生Joleen Cheah说，“这很令人兴奋，因为这有如此广泛的应用。我们已收到了许多关于TransitID的询问，并与其他有兴趣使用它的实验室建立了许多合作关系。”

追寻集体之旅

用非常简单的话来说，TransitID通过标记选定的开始和结束位置的一定半径内的所有分子来追踪一个特定旅程中的所有蛋白。首先，Ting实验室之前开发的两种酶，即TurboID和APEX，被放置在这个旅程的两端。当他们准备开始他们的蛋白监测时，他们引入B族维生素---生物素，这使得TurboID将生物素喷洒在所有周围的分子（包括蛋白）上，从而对它们进行标记。

然后，这些作者清洗细胞中多余的生物素，让它继续正常活动。当他们认为这些蛋白已经有足够的时间去旅行时，他们再加入化合物烷基酚（alkyne-phenol），这将导致APEX执行同样的喷洒行为。

这些作者通过分解细胞膜和分析其中的内含物来解释在这些标记的位置之间移动的蛋白的单独游走。一些蛋白将永远不会移动，要么只有TurboID标记，要么只有APEX标记。那些同时拥有这两种标记的蛋白则在这两者之间进行了旅行。而没有其中一种标记的分子则停留在感兴趣的旅程之外。

四项实验，一个惊喜

为了测试他们的工具，这些作者首先进行了两项实验，详细了解已知的蛋白活性。他们监测了在细胞质和线粒体之间移动的蛋白，这些蛋白与作为线粒体DNA产物的蛋白（源自线粒体）形成鲜明对比。

图片来自Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.05.044。

在下一项实验中，这些作者追踪了当细胞经历氧化应激时，蛋白从细胞质到细胞核的移动是如何变化的。该实验的结果与预期的一样，这意味着TransitID很成功。

接下来，这些作者利用他们的技术研究蛋白在细胞中没有膜包围的部分（特别是应激颗粒）的转运情况，其中应激颗粒是蛋白和RNA的凝聚物，是对细胞应激的反应。

论文共同作者、圣犹大儿童研究医院科学主任和执行副总裁J. Paul Taylor说，“生物分子凝聚物，如应激颗粒，是高度动态的结构，能迅速并不断地与相关结构交换成分。TransitID使我们首次能够跟踪这些成分的命运。”

这项实验的结果令人惊讶。当这些作者在分析应激颗粒的蛋白质组时，他们发现了JUN，即一种众所周知的转录因子，在多种癌症中发生上调/高表达。

Ting说，“以前没有人在应激颗粒中发现过它。因此，当我们在那里发现它时，我们几乎不相信它。”

在确认它的存在后，这些作者进一步探究并确定JUN似乎在应激颗粒中是一种保护机制。他们发现，在氧化应激下，JUN会迁移到应激颗粒中以避免它的替代性应激反应---然后因成为不受欢迎的聚集物而被处理掉---这使JUN保持健康，并在应激结束后可恢复它的正常作用。

最后一项利用TransitID的实验追踪了巨噬细胞和癌细胞之间---一个众所周知的复杂和嘈杂的蛋白环境---的蛋白活动。

有巨大的潜力进行改进

随着收到了来自世界各地的实验室的数以千计的关于TurboID和APEX的请求，这些作者知道他们对这些现有的热门项目的新尝试一定会在基础科学和应用科学方面取得令人兴奋的结果。

Taylor说，“类似于Ting实验室开发的其他创新技术，我预计这种方法将迅速被广泛的科学家们采用。这种工具是一个特别重要的突破，能够对凝聚物进行研究，因为它们是高度动态的结构。”

Ting说，“我对这种方法的简单性和易用性感到兴奋，因为它已经存在了。它使用市售试剂，人们不必在自己的实验室里做任何有机化学来使用这种方法，但他们可以接触到以前不可见的全新的生物学知识。”

该团队仍然认为有改进的余地，特别是想要优化他们的过程，并依靠更少的有毒化学物。目前，TransitID仅限于用于体外培养的细胞，但如果使用更温和的化学物，它可能能够用于跟踪活体动物的详细蛋白动态变化。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1. Wei Qin et al. Dynamic mapping of proteome trafficking within and between living cells by TransitID. Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.05.044.

2. Tagging system allows researchers to track protein traffic in living cells
https://phys.org/news/2023-06-tagging-track-protein-traffic-cells.html