细胞内RNA和蛋白质的精准定位及动态转运对于维持细胞正常功能至关重要。当细胞受到外界刺激时，特定RNA和蛋白质可在短时间内重新分布，并聚集形成应激颗粒（Stress Granules）等无膜细胞器。这些结构的形成与解聚具有高度动态性，参与细胞应激响应和基因表达调控。如何在活细胞中以高时空分辨率解析这些分子的动态变化，仍然是一项重要的技术挑战。

近日，北京大学化学与分子工程学院、北大-清华开云手机网页登录页面的邹鹏课题组在《Nature Chemical Biology》发表题为“Directed evolution of Lantern enables rapid RNA and protein proximity labeling”的研究论文。该研究建立了基于哺乳动物细胞的定向进化平台，开发出高活性遗传编码光催化剂Lantern，将RNA和蛋白质的邻近标记时间缩短至30秒。利用这一工具，研究团队解析了应激颗粒组装过程中RNA和蛋白质组成的动态变化，为研究无膜细胞器的形成机制提供了新的技术手段。

近年来，邻近标记（Proximity Labeling）技术为解析亚细胞区域的蛋白质组和转录组提供了新方法。邹鹏课题组此前开发了基于遗传编码光催化剂miniSOG的RNA邻近标记技术CAP-seq，实现了活细胞内RNA空间分布的解析。然而，该技术通常需要约15分钟的光照，难以捕捉应激颗粒快速组装过程中的分子变化。因此，进一步提高光催化标记效率和时间分辨率，成为拓展该技术应用范围的关键。

定向进化是改造蛋白质功能的重要手段，其关键在于建立蛋白质催化活性与编码基因序列之间的关联。针对光催化剂在活细胞中难以直接进行活性筛选的问题，研究团队设计了一种新的筛选策略：将光催化剂与编码其自身序列的RNA连接，利用催化活性越高的突变体越容易标记对应RNA这一特性，将催化活性的信息“写入”对应的RNA。通过富集和测序这些被标记的RNA，即可从大量突变体中筛选出高活性光催化剂。基于这一策略，研究团队建立了哺乳动物细胞定向进化平台，经过两轮筛选获得了活性提高一个数量级的光催化剂Lantern。

图1. Lantern的定向进化

应激颗粒是细胞在氧化应激等条件下形成的无膜细胞器，其RNA和蛋白质组成随着应激进程不断变化。通过将Lantern融合至应激颗粒核心支架蛋白G3BP1，并在应激诱导后的多个时间点进行30秒邻近标记，研究团队绘制了应激颗粒组装过程中RNA组成的动态变化图谱。结果发现，不同RNA具有明显不同的应激响应模式。其中，应激依赖性募集的RNA具有更长的转录本长度和更高的N6-甲基腺嘌呤（m6A）修饰密度，提示RNA化学修饰与应激颗粒的动态组装密切相关。

值得注意的是，部分内质网相关RNA在应激开始约10分钟时迅速富集于G3BP1周围。荧光显微成像进一步显示，早期形成的G3BP1颗粒与内质网管状结构紧密相邻，提示内质网膜可能参与部分应激颗粒的早期组装。

除RNA分析外，该研究还利用Lantern建立了快速蛋白质邻近标记方法CAP-MS，分析应激颗粒组装过程中的蛋白质组成变化。结合时间分辨转录组与蛋白质组数据发现，富含m6A修饰的RNA在应激早期比m6A识别蛋白更快地富集于应激颗粒，为理解其组装过程中RNA与蛋白质的募集顺序提供了新的线索。

图2. Lantern介导的RNA与蛋白质邻近标记揭示应激颗粒的动态组装过程

该研究通过建立哺乳动物细胞定向进化平台，开发了高活性光催化剂Lantern，显著提高了RNA和蛋白质邻近标记的时间分辨率，并将其应用于应激颗粒动态组装过程的研究。Lantern为解析活细胞内RNA和蛋白质的动态组织提供了新的化学工具，也为深入研究无膜细胞器的形成及其生物学功能创造了条件。

邮箱：

zoupeng@pku.edu.cn

实验室主页：

http://zoulab.org/

研究领域：

神经化学生物学

研究兴趣：

围绕神经化学生物学开展交叉学科研究，长期致力于发展化学探针技术，解析参与神经活动的生物大分子、生物物理信号及化学信号转导过程。具体研究方向包括三个方面：一是发展荧光膜电位探针，实现在高时空分辨下对神经动作电位的可视化观测；二是发展基于酶催化和光催化的生物偶联反应，原位标记和高通量鉴定亚细胞结构中的转录组与蛋白质组；三是针对上述化学工具发展定向进化技术，实现高效的蛋白质工程改造。这些成果能够为高时空分辨观测神经元活动、解析精细细胞结构提供新的研究工具。