北京大学，Nature Chemistry！

RNA 分子在细胞器（如线粒体）中的定位对细胞功能至关重要，它影响能量生成、免疫系统激活以及疾病发生。然而，在活细胞中鉴定和定量 RNA 序列（即进行谱系分析），尤其是与蛋白质的同步分析，仍然极具挑战。现有工具包括细胞器分离、固定细胞成像，以及将外源基因（即通过转染导入标记酶基因）插入细胞中，这些方法往往会破坏细胞的原生状态、缺乏时空分辨率，或在难以转染的体系（如免疫细胞和直接来源于生物体的原代细胞）中失效。更进一步，在同一样本中同时捕获多类生物大分子更为困难，这限制了我们将转录组与蛋白质组动力学联系起来的能力。

光催化邻近标记是一种利用光触发化学反应的方法，仅在光催化剂邻近区域对生物分子进行标记。“邻近”强调标记在空间上的限制，即仅在催化剂周围一定半径范围内发生。此类方法已被应用于蛋白质组学，并且不需要基因操作。若能将该类化学方法扩展至 RNA，并与正交（即互不干扰）的蛋白质探针结合，或可克服这些长期存在的限制。

鉴于此，在先前开发的用于蛋白质标记的光催化邻近标记平台（CAT-S）的基础上，北京大学刘君、陈鹏、樊新元等研究人员建立了CAT-seq，这是一种化学光催化测序方法，可在原位实现对线粒体 RNA 的高时空分辨率谱系分析。通过筛选一系列醌亚甲基（QM）探针，研究人员鉴定出QMPAB-2，该探针在特定光波长和光催化剂作用下，可通过氢键辅助机制选择性地标记核苷胞苷。CAT-seq 能够在活细胞中高效标记线粒体 mRNA、rRNA 和 tRNA，其性能与 APEX-seq 和 CAP-seq 等基因技术相当，但无需基因操作。

为了将方法扩展至RNA 标记之外，研究人员将CAT-seq 与此前在 CAT-S 中优化的硫代 QM 探针（QMPAB-3）结合，建立了一种新的双探针策略——CAT-ortho（图 1a）。每种探针在单独使用时均保持靶标选择性，而联合应用时表现出强正交性和极低交叉反应（即探针意外标记对方靶标的情况），从而可在同一光催化激活下实现 RNA–蛋白的同步标记（图 1b）。

图1 | CAT-seq 和 CAT-ortho 示意图

利用这些新技术，研究人员研究了多种体系中的线粒体动态变化。在小鼠巨噬细胞系中，研究人员发现氧化磷酸化的下降源于tRNA 修饰水平的降低，而非 mRNA 的缺失，从而导致线粒体翻译受损。在原代小鼠 T 细胞中，研究人员揭示了从初始型向细胞毒性T 细胞分化过程中，线粒体转录水平及相关蛋白普遍升高，从而推动增强的氧化磷酸化。总体而言，CAT-seq 和 CAT-ortho 提供了多功能、非基因操作的工具，可用于解析线粒体调控与代谢重塑，甚至适用于原代体系。

光催化多组学平台的进一步发展有若干潜在方向：

1. 化学设计方面：仍需开发在RNA 和蛋白质标记中具有更高效率和更强正交性的探针。改善光催化动力学有望实现更精细的时间分辨率，而将激活波长红移（如进入近红外区）则可能支持其在深层组织和活体中的应用，因为此类波长对组织无损伤且穿透力更强。

2. 亚细胞定位扩展：与可通过改变定位序列进行重定向的基因编码酶不同，化学催化体系通常需针对不同胞器进行重新设计。因此，开发稳健且特异的递送系统仍是关键，以便将这些平台扩展至更多细胞器和微环境。

3. 生物学应用：这些工具在更广泛生物研究中的应用至关重要。具备时空分辨、多层级标记能力的策略，有望揭示在复杂生理转变或疾病相关过程中，不同生物大分子（如RNA、蛋白质和代谢物）之间的动态相互作用。

参考文献：

Bi, Y., Yu, L., Deng, Q. et al. Photocatalytic labelling-enabled subcellular-resolved RNA profiling and synchronous multi-omics investigation. Nat. Chem. (2025).