新年新气象 2016值得关注的技术

　　毫无疑问，细胞功能进程依赖于其结构：细胞筛选通过一系列膜结构，许多信号过程也是通过分子支架进行组织的，还有基因表达也与基因组的空间构成有关。

　　生物通报道：《Nature Methods》盘点2015年度技术，选出了最受关注的技术成果：单粒子低温电子显微镜（cryo-EM）技术。 除此之外，也整理出了2016年最值得关注的几项技术，分别为：细胞内蛋白标记（Protein labeling in cells）、细胞核结构（Unraveling nuclear architecture）、动态蛋白质结构（Protein structure through time）、精准光遗传学（Precision optogenetics）、高度多重化成像（Highly multiplexed imaging）、深度学习（Deep learning）、蛋白定位亚细胞图谱（Subcellular maps）和综合单细胞图谱（Integrated single-cell profiles）。

早在几个世纪之前，我们人类就开始绘制地球，海洋和天空的地图了，然而直到近几十年，我们才开始在分子水平上探索细胞的图谱奥秘。

细胞结构严密，不只是细胞质，细胞内的各个成分均组织紧密整合。这些成分构成细胞器，具有特殊的分子组成和特性，而且它们也随着不断分子流入与流出，保持着动态平衡。毫无疑问，细胞功能进程依赖于其结构：细胞筛选通过一系列膜结构，许多信号过程也是通过分子支架进行组织的，还有基因表达也与基因组的空间构成有关。虽然细胞组织和蛋白定位可以通过细胞生物学解析，但是其中对蛋白分布进行系统分子绘图依然有待研究。

（细胞图谱能帮助我们了解生物进程）

早期的研究工作利用细胞分馏，进行蛋白定位生化分析，主要采用的技术是质谱（Cell 125, 187–199, 2006），而近年来科学家主要采用基于抗体的免疫细胞化学方法等技术绘制亚细胞结构图谱，其次还有遗传编码工具，如抗坏血酸过氧化物酶，生物素连接酶，这些都可以用于基于接近感测（proximity-based methods）的生物素化分析方法，还有捕获与质谱技术，也能确定细胞内靶向位点上存在哪些蛋白。

麻省理工学院的研究人员利用显微镜成像和质谱法，标记了细胞特异区域中的蛋白质，生成了一张该区域中所有蛋白质的综合列表（Science 339, 1328–1331, 2013）。

他们在质谱法之前先标记活细胞中的蛋白质，从而在细胞裂解之前先获得了空间信息。随后在分析过程中通过注释携带定位标记的蛋白，对这一信息进行重建。新系统利用了一种生物素（biotin）化学标记。为了用生物素标记蛋白质，研究人员首先设计出了一种命名为“APEX”的新酶。

该酶是一种过氧化物酶。每种过氧化物酶都具有不同的底物，生物素酚（biotin-phenol ）是APEX的一种底物。当研究人员将生物素酚添加到表达APEX的工程细胞上时，该酶生成了生物素-苯氧自由基(phenoxyl radical)——带有不成对电子的高活性分子。这些自由基迅速抓取附近的蛋白质，用生物素对它们进行标记。

这些方法也在不断改进中，而且也开始被应用于亚细胞结构图谱实验。如一些开发的定位程序，WoLF PSORT就是用于蛋白质亚细胞定位预测的PSORT II程序的一个扩展。WoLF PSORT基于分选信号、氨基酸组成和功能motifs，例如DNA结合motifs，将蛋白质氨基酸序列转换为数值定位特征。转换之后，一个简单的k最近邻居分类器被用于预测。

甚至市场上也有一些相关产品，如Life Technologies推出了即用型的荧光蛋白载体，融合了信号肽，能将表达的荧光蛋白定位到亚细胞器中，如核、质膜、内质网、高尔基体和过氧化物酶体等等。这种CellLight®试剂将信号肽或细胞结构蛋白与emGFP和TagRFP融合，可准确且特异地定位到亚细胞区室和结构。点击此处了解CellLight®试剂的详细信息。

虽然蛋白定位亚细胞图谱能帮助科学家们获取前所未有的成像图片，但是蛋白只是构成细胞的几种主要元素之一，因此利用这些图谱并不能了解脂质和糖，不过对于目前的细胞研究来说，蛋白图谱依然是最先需要开始探索的一块土壤。

相关文章：

2016值得关注的技术：新蛋白标记

参考文献：

A Mammalian Organelle Map by Protein Correlation Profiling

Directed evolution of APEX2 for electron microscopy and proximity labeling

A promiscuous biotin ligase fusion protein identifies proximal and interacting proteins in mammalian cells

Proteomic mapping in live Drosophila tissues using an engineered ascorbate peroxidase