【Nat. Chem.】生物正交光催化驱动的线粒体转录组(CAT-seq)和同步多组学光催化邻近标记技术(CAT-ortho)-上海善施科技

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RNA在细胞内的特异性定位对其正常生物功能的实现至关重要，尤其在线粒体等具备独立转录系统的细胞器中更为显著。线粒体RNA经历包括储存、加工、翻译和降解在内的多个复杂过程，其所构成的转录组及其修饰状态深刻影响细胞代谢，并与细胞死亡、分化、癌症增殖以及代谢重塑等多种生理和病理过程密切相关。此外，许多生命活动依赖于多种生物大分子的协同作用，因此同步解析不同亚细胞区域内生物大分子的动态变化及其调控关系，有助于更全面、深入地理解相关生物学过程的分子机制。

然而，传统的线粒体转录组研究方法存在一定局限性。例如，基于密度梯度离心的线粒体分离策略需先裂解细胞，再依据细胞器沉降系数差异进行分离，该方法不仅丢失了原位空间信息，还存在组分交叉污染和时间分辨率低等问题。近年来发展的微流控与高分辨率荧光成像技术虽可实现对特定区域转录组的空间解析，但通常需固定细胞，难以应用于活细胞条件下的亚细胞转录组研究。此外，尽管APEX-seq、CAP-seq等邻近标记技术可较好保留原位转录组信息，却依赖遗传操作，限制了其在难以转染的细胞（如免疫细胞、干细胞和原代样本）中的广泛应用。因此，如何在多种样本（尤其是原代细胞）中同步解析线粒体转录组、蛋白质组等多维信息，仍是当前面临的重要科学挑战。

图1. 基于生物正交光催化的线粒体转录组（CAT-seq）及同步多组学光催化标记技术(CAT-ortho)。（图源：Nat. Chem.）

近日，针对上述技术瓶颈，北京大学化学学院陈鹏/樊新元等和生命科学学院刘君课题组通力合作，基于其前期提出的生物正交光催化概念（在生命体系中，利用催化剂的靶向控制反应空间，利用外源光控制反应时间），成功开发线粒体转录组光催化标记技术CAT-seq（图1）。并进一步通过化学调控开发分别标记RNA和蛋白质的正交化学探针，实现开发了同步多组学光催化技术CAT-ortho，实现了无需基因操作、时空灵活可控的亚细胞多组学的同步解析（图2）。该成果以“Photocatalytic labelling-enabled subcellular-resolved RNA profiling and synchronous multi-omics investigation”为题发表于Nature Chemistry。

图2. 同步多组学光催化技术CAT-ortho示意图。（图源：Nat. Chem.）

首先，作者设计并合成了一系列具有不同反应活性的亚甲基醌（QM）探针，通过体外实验筛选出能够特异性标记RNA的探针QM^MNP-1。在此基础上，研究团队借鉴此前开发的CAT-Prox与CAT-S技术，对该探针进行进一步优化，成功将CAT-seq技术应用于活细胞线粒体转录组的捕获与分析。实验结果表明，在HeLa细胞中，CAT-seq能够以超过70%的选择性高效富集线粒体编码的转录本，并可同时捕获包括mRNA、rRNA和tRNA在内的多种功能RNA分子。上述优势充分展现了CAT-seq在解析动态线粒体转录组变化过程中的应用潜力。

以上述验证为基础，作者以巨噬细胞系RAW 264.7为模型，利用该工具捕获线粒体RNA并进行高通量测序和质谱检测，系统研究了M1极化过程中线粒体转录组在丰度和修饰等方面的变化。虽然未观察到线粒体转录本丰度的显著变化，但线粒体RNA的多种修饰发生了不同程度的下降，其中包括线粒体tRNA上的5-甲基胞嘧啶(5-methylcytosine, m⁵C) 修饰与牛磺酸尿嘧啶(5-carboxymethylaminomethyluridine, τm⁵U) 修饰。结合生物学功能实验，作者揭示了线粒体tRNA修饰的下调抑制了线粒体翻译效率，进而导致氧化磷酸化水平的降低，为巨噬细胞M1极化过程中代谢重编程的分子机制提供了新的思路（图3）。

图3. CAT-seq的工具开发及其对M1极化中巨噬细胞线粒体转录组的原位解析。（图源：Nat. Chem.）

受到他们前期开发的用于蛋白质标记的硫代亚甲基醌探针的启发（CAT-S技术，硫代亚甲基醌探针的开发用于蛋白质的高效标记，Nat. Commun. 2024, 2712），作者将两种探针混合在一起，发现在RNA和蛋白质同时存在的情况下，RNA探针优先标记RNA，而蛋白质探针优先标记蛋白质，据此开发了同步多组学的光催化标记技术CAT-ortho，实现了转录组和蛋白质组的同步解析。实验结果表明，CAT-ortho能够高选择性地实现对同一样品中线粒体蛋白质组和转录组的同步捕获与分析，且对转录组和蛋白质组而言，均能够保持较高的特异性。

最后，作者利用CAT-ortho技术研究了小鼠原代CD8⁺T细胞在激活过程中线粒体内多组学的动态变化。通过激活前后样本的比对，鉴定出转录组丰度及转录相关调控蛋白的上调，并结合细胞氧化磷酸化水平变化，揭示了线粒体转录调控在小鼠原代CD8⁺T细胞的激活过程中的作用（图4）。

图4. CAT-ortho的工具开发及其对原代细胞内的动态多组学研究。（图源：Nat. Chem.）

综上，CAT-seq与CAT-ortho是基于生物正交光催化的新一代技术，操作简便，可在同一样品中实现对多类生物大分子的时空可控标记。而且无需依赖基因操作，这意味着它们不仅适用于常见细胞系，还能够直接应用于原代细胞，甚至临床样品。两项技术的出现，不仅为线粒体多组学研究提供了强有力的工具，也充分展现了生物正交光催化在生命科学研究中的独特价值。

北京大学化学与分子工程学院博士生毕云鹏、生命科学联合中心博士生俞黎姗和生命科学学院博士生邓启东为本文的共同第一作者，化学学院樊新元和陈鹏教授、生命科学学院刘君研究员为本文的通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部、北京市自然科学基金委、勃林格殷格翰青年研究员基金等项目的支持。

附：近年来，基于生物正交光催化的 CAT-X技术体系已逐步完善，目前已建立 11 项成熟方法，形成了从胞内到胞际、从蛋白到 RNA、从细胞到活体的完整工具矩阵。其中，包括用于线粒体蛋白标记的 CAT-Prox（JACS 2021）、细胞膜受体互作解析的 CAT-Ex（Chem 2022）、细胞间互作标记的 CAT-Cell（JACS 2024）、内质网蛋白标记的 CAT-ER（PNAS 2025），以及核酸与蛋白互作解析的 CAX（Angew. Chem. 2022）。在核酸和多组学层面，团队进一步开发了 CAT-seq和 CAT-ortho（Nat. Chem. 2025），实现线粒体转录组和多组学的同步解析。在原代样品与活体研究方向，建立了 CAT-S（Nat. Commun. 2024）、CAT-Tissue（JACS 2025）和 CAT-NIR（Angew. Chem. 2023），突破了临床和动物样品的应用难题。同时，CAT-Lyso（Nat. Catal. 2025）也首次实现了溶酶体蛋白的原位标记。整体而言，CAT-X 体系展现了化学技术在解决生物与医学问题中的系统性与独特性，为未来的基础研究和临床应用奠定了坚实基础。

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