光催化标记探针对亚细胞转录组和蛋白组进行同步解析

分享一篇发表在Nature Chemistry上的文章，题目为“Photocatalytic labelling-enabled subcellular-resolved RNA profiling and synchronous multi-omics investigation”，通讯作者是来自北京大学的樊新元、刘君和陈鹏三位老师，研究方向为光催化邻近标记和RNA修饰的调控机制。

解读亚细胞转录组的时空变化能够帮助我们更好地理解疾病进程。已有多种传统研究转录组的方法，例如密度梯度离心后裂解提取RNA会损失原位信息，而酶法介导的邻近标记方法则需要对细胞进行转染处理，限制了其应用场景。此前研究人员报道了一种蛋白质反应性warhead亚甲基醌，并将其应用于光催化的蛋白质标记。在本文中，作者则通过调整这一反应弹头的化学活性，实现了RNA特异性亚细胞分辨率的光催化标记。

首先，作者测试了一系列亚甲基醌结构的化合物衍生物的反应活性，探针结构包括紫外激活的保护基团和用于富集的生物素标签，在体外实验证明了对于RNA模板具有一定的反应活性并且在单核苷酸的水平上测试了主要的标记靶标为胞嘧啶。将反应warhead更改为适用于铱催化剂和蓝光激活的系统中，同样能够对RNA进行标记，并且发现这一标记严格依赖于体系中每个组分并有较强的正相关关系。

随后，作者通过向探针上装载三苯基膦基团，实现了优异的线粒体靶向性。该探针能够多次重复、高置信地鉴定到多种线粒体mRNA，并且能够富集到许多tRNA，实现了无偏富集的同时分析线粒体RNA中的胞苷比例。他们将这一体系应用到LPS处理的Raw264.7巨噬细胞上，比较了线粒体转录组在细胞极化过程中的动态变化。作者发现RNA的丰度并无并无显著变化，因此将目光转向了调控RNA活性的几种修饰上。最终发现在极化细胞中，小于200碱基长度的小RNA群体上的τm5U和m5C两种修饰丰度明显下降。作者使用此前对蛋白质光催化标记的技术解析了蛋白组的动态变化，发现了上述两种tRNA修饰的writer蛋白丰度降低，结合LPS处理细胞中线粒体内新生蛋白大量减少，提出了受到LPS刺激后，线粒体中两种tRNA修饰写入蛋白丰度降低导致tRNA丰度减少，稳定性降低进而降低线粒体翻译效率的机制。

除此之外，出于光催化蛋白标记和RNA标记不同warhead之间不同的化学反应性，此方法为在同一体系中同时分析蛋白组和转录组提供了可能。实验结果表明，QM-1探针主要标记RNA，而QM-4探针主要标记蛋白质。作者利用这种正交的同步标记系统，解析了原代T细胞从初始T细胞向细胞毒性T细胞转变过程中转录组和蛋白组的动态变化，最大限度减少了样品异质性带来的影响。