【JACS】生物正交光催化驱动的高尔基体蛋白质组化学技术CAT-Golgi

导语

高尔基体（Golgi apparatus）作为细胞内蛋白质与脂质加工、分选和运输的动力枢纽，具有高度的结构动态性与塑性。然而，高尔基体高度动态的膜流特性，使其原位蛋白质组学的描绘面临巨大挑战：传统密度梯度离心或免疫分离极易丢失原位相互作用，而APEX、BioID等酶促邻近标记技术依赖基因转染，难以直接应用于难转染细胞及临床原代样品。

针对这一瓶颈，北京师范大学化学学院/高等研究院樊新元课题组与北京大学陈鹏课题组合作，在Journal of the American Chemical Society上发表题为Photocatalytic Golgi Proteomics Reveals Palmitoylation-Regulated Golgiphagy 的研究论文（DOI：10.1021/jacs.6c13532）。

该研究团队依托在生物正交光催化领域的长期积累，开发了无需基因操作、由温和绿光（520 nm）精准驱动的高尔基体邻近标记技术—CAT-Golgi。该技术打破了传统方法对遗传改造的依赖，成功拓展至悬浮细胞及原代人表皮角质细胞（HEKa），并进一步捕获了高尔基体自噬（Golgiphagy）过程中的动态蛋白质组重塑，揭示了棕榈酰化与氧化还原稳态调控高尔基体自噬的新机制。

图1. CAT-Golgi技术（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

前沿科研成果

1.纯化学驱动：高尔基体靶向光催化剂的化学设计

为了在活细胞中实现非遗传、光控的高尔基体专一性标记，研究团队设计了高尔基体靶向光催化剂GolgiCat：

模块化骨架：选用胞内分布均一、光反应性良好的伊红（eosin）作为光催化核心；

高尔基体专一靶向：引入半胱氨酸（Cys）基团，利用其独特化学特性显著增强高尔基体定位；

掩蔽保护提升通透性：以乙酰基保护酚羟基，使其高效穿透细胞膜并被胞内酯酶原位激活。

共聚焦显微成像显示，GolgiCat 在活细胞内与高尔基体染料高度重合（Pearson 相关系数达 0.85），且不干扰其他细胞器，实现了高尔基体的高选择性化学锚定。

图2. 高尔基体靶向光催化剂GolgiCat的设计（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

2.高效与广适性：从悬浮细胞到原代细胞的全面验证

在温和绿光（520 nm, 30 mW/cm²）照射下，GolgiCat 可驱动苯胺类探针（An）对高尔基体邻近蛋白进行快速共价标记，自此建立了CAT-Golgi技术。

高空间特异性：在HeLa 细胞中，生物素标记信号与高尔基体标志蛋白 Giantin 紧密重合（Pearson R = 0.82），且与内质网标志物无交叉；Western blot 证实高尔基体标志蛋白 GM130 被选择性富集，而胞质及其他区室标志物均未见明显标记。

蛋白质组鉴定：结合同位素二甲基标记定量质谱，团队鉴定了754 种人源蛋白，其中 71% 归属于分泌通路；在可明确亚区室定位的蛋白中，高尔基体相关蛋白占比达 43%，成功描绘了高分辨率的高尔基体相关蛋白质组。

打破遗传限制的普适性：得益于纯化学驱动优势，CAT-Golgi 成功应用于悬浮肿瘤细胞（K562）、难转染的 T 淋巴细胞（Jurkat）以及人原代表皮角质形成细胞（HEKa），在不同细胞模型中均保持了稳定的高尔基体蛋白富集能力。

图3. CAT-Golgi描绘动态高尔基体蛋白质组（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

3.动态追踪：捕获高尔基体自噬重塑并揭示PPT1 调控机制

高尔基体自噬（Golgiphagy）是细胞清除受损高尔基体、维持稳态的核心途径。研究团队利用 Brefeldin A（BFA）诱导高尔基体应激，并结合 CAT-Golgi 进行了动态定量蛋白质组学追踪。

捕获区室特异性事件：质谱成功捕获到了应激状态下高尔基体相关蛋白质组的大规模重塑，其中棕榈酰蛋白硫酯酶1（PPT1）丰度显著下调。值得注意的是，PPT1 的变化在全细胞蛋白质组和转录组水平均不突出，凸显了空间分辨蛋白质组学在识别区室特异性事件中的不可替代性。

机制功能验证：PPT1 敲低显著激活了高尔基体自噬流；重新表达野生型 PPT1 可恢复自噬表型，而催化失活突变体（PPT1-S115A）则无法恢复，证明其调控依赖于去棕榈酰化（depalmitoylation）催化活性。

级联通路研究：生化分析表明，PPT1 下调导致关键自噬起始因子 ULK1 和溶酶体通道 TRPML1 的棕榈酰化水平升高，进而引发胞内活性氧（ROS）积累并触发高尔基体自噬。

CAT-Golgi 技术的开发，是其CAT-X技术体系的又一利器，为在肿瘤、神经退行性疾病及免疫应答中的高尔基体时空动态解析提供了强有力的化学工具。

北京师范大学樊新元教授和北京大学陈鹏教授为本文的通讯作者，博士后底宇飞为本文的第一作者。该研究得到了国家自然科学基金委、科技部国家重点研发计划、北京市自然科学基金及北京师范大学人才引进启动基金的资助。

课题组简介

北京师范大学化学学院/高等研究院樊新元课题组长期致力于面向生命体系前沿交叉的化学反应和工具的开发与应用研究。

课题组作为“生物正交光催化”这一交叉前沿领域的主要开拓者与推动者之一，深耕并自主建立了涵盖13项光催化技术的全新化学技术体系CAT-X Platform，在活细胞、原代生物样品、复杂组织乃至活体动物中实现了高时空分辨的亚细胞图谱绘制、跨尺度互作解析、以及前沿拓展应用。

课题组目前位于北京师范大学海淀校区，欢迎有志于化学生物学、有机化学、光催化化学、蛋白质组学、生物化学、细胞生物学、分子生物学等交叉研究的博士后、研究生及本科生加入！

邮箱：xyfan@bnu.edu.cn

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