鄰近標(biāo)記（proximity labeling）是近年來(lái)廣泛應(yīng)用于研究空間組學(xué)和生物大分子相互作用的化學(xué)工具【1,2】。TurboID和APEX2等鄰近標(biāo)記酶能夠在活細(xì)胞原位生成具有短壽命的活性中間體，從而在納米尺度上實(shí)現(xiàn)對(duì)鄰近區(qū)域內(nèi)蛋白質(zhì)或核酸的共價(jià)修飾和鑒定【3-5】（圖1a）。盡管該技術(shù)在生命科學(xué)領(lǐng)域已得到廣泛使用，然而其核心技術(shù)參數(shù)——即鄰近標(biāo)記的作用半徑究竟是多大，卻長(zhǎng)期未能在實(shí)驗(yàn)中被定量測(cè)定。這一局限不僅影響研究者對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的解讀，也限制著這些工具的進(jìn)一步優(yōu)化和應(yīng)用。

2025年12月24日，北京大學(xué)未來(lái)技術(shù)學(xué)院陳知行課題組和化學(xué)與分子工程學(xué)院鄒鵬課題組合作在Nature Chemical Biology雜志發(fā)表了題為Spatial barcoding reveals reaction radii and contact-dependent mechanism of proximity labeling的研究文章。研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一種基于DNA納米結(jié)構(gòu)（DNA nanostructures）的空間編碼納米尺平臺(tái)（圖1b, c和d），以實(shí)現(xiàn)對(duì)微環(huán)境中的生化反應(yīng)以納米精度的空間分辨進(jìn)行定量測(cè)量。

該平臺(tái)具有以下關(guān)鍵特性：

1.納米尺度距離可控：通過(guò)可程序化設(shè)計(jì)的DNA納米結(jié)構(gòu)，精準(zhǔn)調(diào)節(jié)標(biāo)記靶標(biāo)與鄰近標(biāo)記酶之間的距離，覆蓋范圍達(dá)到幾十納米，距離調(diào)節(jié)步長(zhǎng)為1納米。

2.核酸編碼空間信息：每個(gè)位置的標(biāo)記靶標(biāo)對(duì)應(yīng)一段特有的寡核苷酸序列，可實(shí)現(xiàn)在定量PCR分析中利用特異性引物精準(zhǔn)區(qū)分不同距離靶標(biāo)的標(biāo)記水平。

3.高靈敏度定量檢測(cè)：反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)富集后，利用定量PCR測(cè)定各標(biāo)記靶標(biāo)的相對(duì)豐度，繪制出“標(biāo)記效率-空間距離”關(guān)系曲線。該方法首次實(shí)現(xiàn)了在嚴(yán)格受控的空間框架內(nèi)對(duì)鄰近標(biāo)記進(jìn)行定量化研究。

圖1. 構(gòu)建空間納米尺平臺(tái)，測(cè)定鄰近標(biāo)記的作用半徑。a. 鄰近標(biāo)記工作流程示意圖【3】。圖片修改自Zhou Y. et al.，2021。b. 利用DNA折紙作為模板體外重構(gòu)鄰近標(biāo)記系統(tǒng)。c. 雙鏈DNA（dsDNA）尺子可以以1納米的步長(zhǎng)控制酶和標(biāo)記靶標(biāo)的距離。d. c圖中的連接子的化學(xué)結(jié)構(gòu)。

該研究計(jì)劃的提出起源于兩個(gè)課題組間密切的交流合作。鄒鵬課題組在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，TurboID往往比APEX2具有更高的標(biāo)記空間分辨率，然而從化學(xué)性質(zhì)上看，TurboID產(chǎn)生的腺苷化羧基應(yīng)當(dāng)比APEX2產(chǎn)生的酚氧自由基具有更長(zhǎng)的壽命和更大的標(biāo)記半徑。這一反常結(jié)果引發(fā)了研究人員對(duì)兩種鄰近標(biāo)記方法在標(biāo)記半徑及作用機(jī)制的濃厚興趣。陳知行課題組長(zhǎng)期致力于高性能成像探針的開發(fā)，并與鄒鵬課題組保持著密切合作，雙方此前已共同開發(fā)多款高性能膜電壓探針（PNAS 2023, 120, e2306950120；Sci. Adv. 2025，11, eads1807等）。在討論這一現(xiàn)象的過(guò)程中，陳知行課題組聯(lián)想到 DNA 折紙?jiān)诔直娉上裰谐Ｓ米鳌凹{米尺”，鑒于其尺寸處于幾十納米量級(jí)，同時(shí)具備高度剛性與可編程性，因此非常適合作為測(cè)量鄰近標(biāo)記作用半徑的理想工具?；谶@一思路，團(tuán)隊(duì)利用 DNA 納米結(jié)構(gòu)構(gòu)建了可精確調(diào)控距離的納米尺平臺(tái)，以定量評(píng)估鄰近標(biāo)記的標(biāo)記半徑。通過(guò)在體外重建完整的鄰近標(biāo)記體系，對(duì)兩類酶的催化特性和作用機(jī)制開展了系統(tǒng)而深入的研究。

團(tuán)隊(duì)通過(guò)納米尺平臺(tái)測(cè)量了標(biāo)記酶附近幾十納米內(nèi)的標(biāo)記效率，繪制了“標(biāo)記效率-空間距離”曲線。對(duì)于APEX2標(biāo)記，在DNA折紙?bào)w系中5-11納米處（接觸范圍內(nèi)）出現(xiàn)標(biāo)記效率的峰值，意味著存在酶與底物的“接觸標(biāo)記”機(jī)制；在更遠(yuǎn)的距離（55納米）仍可檢測(cè)到顯著高于背景的標(biāo)記水平，與傳統(tǒng)模型所描述的自由基“短程擴(kuò)散”相符。在測(cè)量精度更高的dsDNA體系中，APEX2的標(biāo)記表現(xiàn)出與DNA折紙?bào)w系同樣的趨勢(shì)。以上數(shù)據(jù)揭示了APEX2同時(shí)表現(xiàn)出接觸標(biāo)記與短程擴(kuò)散兩種反應(yīng)機(jī)制。

團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將該方法應(yīng)用與測(cè)定TurboID的標(biāo)記。通常人們認(rèn)為TurboID的標(biāo)記主要由活性中間體的擴(kuò)散對(duì)周圍的蛋白質(zhì)進(jìn)行標(biāo)記。數(shù)據(jù)顯示，在接觸范圍內(nèi)（0–6納米），TurboID 對(duì)近端的氨基產(chǎn)生高效標(biāo)記；但隨著距離增加至7納米，標(biāo)記效率迅速下降至接近背景水平。標(biāo)記效率隨距離的衰減過(guò)程呈現(xiàn)明顯的急劇下降特征，不符合擴(kuò)散控制模型的預(yù)期。從這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出發(fā)，團(tuán)隊(duì)提出，TurboID的標(biāo)記主要由中間體在酶的口袋中與靶標(biāo)分子的直接物理接觸介導(dǎo)，而非由中間體在酶周圍的自由擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)，因此TurboID的標(biāo)記行為呈高度接觸依賴性。這一觀點(diǎn)進(jìn)一步得到了生化實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。

綜上所述，該研究通過(guò)DNA納米結(jié)構(gòu)平臺(tái)在體外重建鄰近標(biāo)記系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鄰近標(biāo)記酶空間作用范圍的首次直接量化，為理解標(biāo)記機(jī)制提供了系統(tǒng)、可控的實(shí)驗(yàn)框架。該成果具有以下意義：

1.為鄰近標(biāo)記實(shí)驗(yàn)的解釋提供機(jī)制的依據(jù)，研究人員在分析蛋白互作或空間鄰近關(guān)系時(shí)，需要將“接觸主導(dǎo)機(jī)制”納入考慮，以避免對(duì)標(biāo)記范圍的過(guò)度推斷。

2.該研究展現(xiàn)了DNA納米尺在1–100納米窗口內(nèi)分析微觀生化反應(yīng)的強(qiáng)大能力，與可在1–10納米范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)測(cè)量的熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）以及可實(shí)現(xiàn)>20納米精確測(cè)量的超分辨率成像技術(shù)相輔相成。

3.推動(dòng)納米尺度空間生化測(cè)量平臺(tái)的發(fā)展，DNA納米結(jié)構(gòu)提供了一種可普適化的策略，用于研究活性中間體擴(kuò)散、反應(yīng)局限性及其他納米級(jí)空間限域效應(yīng)。

北京大學(xué)未來(lái)技術(shù)學(xué)院陳知行研究員和北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院鄒鵬研究員為本論文的通訊作者，北京大學(xué)未來(lái)技術(shù)學(xué)院2021級(jí)博士生楊哲為本論文的第一作者。張玉、方煜新、張?jiān)?、杜佳晟、沈?yàn)t雯和張珂誠(chéng)等也為本研究做出了重要貢獻(xiàn)。斯坦福大學(xué)Alice Ting教授、美國(guó)西南醫(yī)學(xué)中心Boyuan Wang教授對(duì)本工作進(jìn)行了討論和建議。

https://doi.org/10.1038/s41589-025-02086-w

References:

1. Seath, CP. , Trowbridge, AD., Muir, TW., MacMillan, DWC.. Reactive intermediates for interactome mapping. Chem Soc Rev 50, 2911-2926 (2021).

2. Qin, W., Cho, K.F., Cavanagh, P.E. et al. Deciphering molecular interactions by proximity labeling. Nat Methods 18, 133–143 (2021).

3. Zhou, Y., Zou, P.. The evolving capabilities of enzyme-mediated proximity labeling. Current Opinion in Chemical Biology 60, 30-38 (2021).

4. Lam, S., Martell, J., Kamer, K. et al. Directed evolution of APEX2 for electron microscopy and proximity labeling. Nat Methods 12, 51–54 (2015).

5. Branon, T., Bosch, J., Sanchez, A. et al. Efficient proximity labeling in living cells and organisms with TurboID. Nat Biotechnol 36, 880–887 (2018).

學(xué)術(shù)合作組織

（*排名不分先后）

戰(zhàn)略合作伙伴

（*排名不分先后）

轉(zhuǎn)載須知

【非原創(chuàng)文章】本文著作權(quán)歸文章作者所有，歡迎個(gè)人轉(zhuǎn)發(fā)分享，未經(jīng)作者的允許禁止轉(zhuǎn)載，作者擁有所有法定權(quán)利，違者必究。

BioArt

Med

Plants

人才招聘

近期直播推薦

點(diǎn)擊主頁(yè)推薦活動(dòng)

關(guān)注更多最新活動(dòng)！