清华学者开发新型邻近标记技术

细胞内的蛋白质在时间和空间等多个维度上高度动态，很多蛋白质会在不同的细胞器或细胞之间进行转运和交流，介导细胞内的多种生物学功能。

基于显微镜的蛋白成像技术可以在活细胞中追踪蛋白质的运动轨迹，但它只能对特定单个蛋白进行研究；基于质谱的蛋白质组学技术可以同时分析细胞裂解中的上万个蛋白质，但它却错失了这些蛋白在活细胞中的动态信息。因此，发展多维度的蛋白质组学方法有助于系统解析细胞内不同蛋白质的生命轨迹。

清华大学药学院助理教授秦为致力于邻近标记等化学生物学研究，他开发了具有时空分辨率的功能性邻近标记技术，实现亚细胞区域内特定蛋白类型的大规模分析；同时开发了针对蛋白质空间动态转运的新型邻近标记技术 TransitID，并利用该方法首次实现了细胞内不同细胞器之间以及细胞之间蛋白转运的大规模分析。

凭借着开发化学驱动的组学技术系统描绘生物分子的交通图谱，为挖掘疾病标志物提供新思路，秦为成为 2023 年度《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人” 中国入选者之一。

结缘生命科学，成果刊发Cell

与生命科学结缘是 2010 年的秋天。彼时，高考失利的秦为压线进入北京理工大学，并由炸药工程调剂为生物工程。初入大学，秦为即主动加入北京理工大学庆宏教授实验室。“我觉得自己不擅长文娱体育活动，只能在寝室睡觉”。庆宏教授实验室的经历启蒙了秦为的科研思维，不仅打下了坚实的基础，也为其之后的科研之路拉开了帷幕。

2014 年，秦为免试面试进入北大攻读博士学位。在确立化学生物学作为研究方向的同时，他选择拥有陈兴和王初两位教授作为博士生导师，以结合两个实验室的优势，在化学蛋白质组学分析和蛋白质糖基化功能研究领域开展研究。自此，秦为开启了他长达十余年的化学生物学研究。

博士期间，秦为针对 O-GlcNAc 修饰和衣康酸修饰，发展了一系列化学蛋白质组学策略系统评估了这两种代谢相关修饰对蛋白质稳定性和功能的调控。“自律、勤奋、高效、对科学充满激情、具有深刻的洞察力......我坚信他将成为化学生物学领域的未来领导者......”，陈兴和王初如是评价，难掩对秦为的欣赏。

2019 年，秦为远赴美国斯坦福大学进行博士后研究，师从美国科学院院士 Alice Ting 教授，聚焦于发展新型邻近蛋白质组学技术来实现活细胞内蛋白质组动态的时空分析。Alice Ting 实验室的研究项目大致分为三个领域：（1）用于可扩展的单细胞记录过去细胞事件的分子记录器；（2）用于精确操纵细胞生物分子、通路和细胞器的分子编辑器；（3）用于无偏发现功能分子的邻近标记。

其中，邻近标记技术（Proximity Labeling, PL）广泛用于研究细胞内蛋白质-蛋白质相互作用及其动态变化。这种技术利用特定的酶（例如生物素连接酶或过氧化物酶）在靠近目标蛋白质的邻近区域内进行标记，从而识别和捕捉与目标蛋白质相互作用的分子。

事实上，去美国之前，秦为就与 Alice Ting 充分探讨了博士后课题。北大的科研经历让秦为信心满满，也让他顺理成章开启了蛋白质动态相关的研究。在这之前，Alice Ting 已经开发并多次迭代邻近标记技术，她表示她曾准备逐步淡化该研究领域，与秦为的交谈让其看到了新的可能性，重新唤醒了对于邻近标记技术的兴趣。原有的邻近标记技术虽然广泛应用于鉴定特定细胞区域内的组成蛋白，但局限于单个时间点的静态信息。

基于 Alice Ting 实验室已有的基础，秦为开发了一种能够解析活细胞内蛋白质时空动态过程的邻近标记技术，为精确理解蛋白质功能的动态调控奠定了基础。2023 年，这项研究成果正式发表于Cell期刊，也是他首次以一作身份在Cell上发论文。

这种名为 TransitID 的技术可在活细胞中同时绘制数千种内源蛋白质的迁移路径图，从而揭示目前现有方法都无法看到的生物学图景。研究期间，秦为应用该技术鉴定了从细胞质跑到线粒体内的蛋白；同时区分了分别起始于线粒体外膜和细胞质的线粒体蛋白；另外还将该方法应用于分析从细胞质到细胞核的转运蛋白，以及它们在氧化压力条件下的动态变化；并进一步将 TransitID 应用于分析应激颗粒和核仁之间在不同压力条件下的蛋白质交流情况

除了细胞内的蛋白转运，秦为还将 TransitID 拓展至分析细胞与细胞之间的蛋白转运。成功鉴定到了 60 多个从癌细胞细胞质转移到巨噬细胞细胞质的蛋白，并同时区分了他们潜在的转运途径。

“我们所开发的技术除了理解活体内的基本生物学规律外，也可以用于发现疾病发生过程中的药物靶标和生物标志物，具有很高的转化前景。如开发针对癌症早期诊断的生物标志物检测盒等等。”

这项历时 4 年的研究也让秦为颇有感概，“4 年的时间里，大约 2 年半在建立技术，不断试错；此外，博士后研究期间恰逢新冠疫情，实验室有人数和时间管控要求，2020 年一整年都在轮班制工作模式下进行项目。”

据悉，上述研究基于体外培养细胞进行，未来计划在动物体内进行，以了解哪些蛋白质在不同器官之间交流，以及涉及的信号转导通路。

全职加入清华，推动蛋白质组学技术革新

人类基因编码的蛋白质只有大约两万种，但由于翻译后修饰、蛋白复合物以及亚细胞定位等因素，细胞内蛋白质组远远比理论上更为复杂。一个蛋白的生命轨迹包括了它从生成到降解的过程中，在时间、空间、功能执行以及相互作用等多个维度中的动态经历。了解细胞中每一个蛋白质的生命轨迹对于精确理解蛋白质组的复杂网络和动态调控有着重要意义。

蛋白转运过程及其介导的细胞间通讯对于机体功能的正确执行至关重要，例如在大脑和肠道之间存在着很多信号蛋白的传递。然而目前还缺乏系统无偏差的组学方法来挖掘活体中的通讯蛋白，解决这一世界性难题将推动各个生物学领域的研究和发展。

TransitID 技术实验了体外培养细胞之间的转运分析，为实现上述目标迈出了一小步，但目前在活体中描绘蛋白交流图谱还存在着非常大的技术挑战。

如今，秦为已全职加入清华大学开展独立研究，继续利用化学生物学和蛋白质组学技术，以及探索宿主病原体相互作用界面中生物大分子的动态修饰和相互作用。其长期的研究目标是推动蛋白质组学从一维到四维的技术革新，描绘出细胞内每一个蛋白质在时间、空间、功能和相互作用四个维度中的生命轨迹，从而精确理解蛋白质功能的动态调控。

下一阶段，秦为计划将开发的技术应用于肿瘤免疫领域，探索肿瘤细胞和微环境中免疫细胞间的不同通讯机制，为发展新型肿瘤免疫疗法提供新的思路；同时，将关注肿瘤细胞和免疫细胞间的直接相互作用，鉴定相互作用界面中的关键蛋白，从而挖掘免疫干预的新靶点；另外也将发展新型免疫多肽组学，鉴定肿瘤表面所呈递的能够招募T细胞的功能性新抗原，为实现个性化 T 细胞疗法提供技术保障。

“首先我们将系统描绘肿瘤细胞和不同免疫细胞（巨噬细胞、T 细胞等）之间的交流蛋白，以及区分它们的转运途径（外泌体，纳米管，迁移体等）。”秦为介绍道。

值得注意的是，TransitID 技术所使用到的两种邻近标记酶在活体中都存在特异性差、毒性高等问题。针对上述问题，课题组未来将通过定向进化和理论设计相结合的模式，发展活体兼容的新型邻近标记酶，并建立活体内转运蛋白的标记和鉴定方法。

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