邻近标记方法表征细胞-细胞相互作用

doi:10.7503/cjcu20200371

摘要/Abstract

摘要：

细胞-细胞相互作用在多种生理过程中有重要意义, 针对这些相互作用的研究是化学与生命科学交叉领域的前沿热点. 基于对酶的功能改造、定向进化和精准的时空调控, 酶介导的邻近标记方法在分析细胞-细胞相互作用方面具有广泛的应用前景. 本文重点描述了现有邻近标记方法的原理、效果、优缺点及潜在应用.

关键词: 邻近标记, 细胞-细胞相互作用, 时空分辨率

Abstract:

Cell-cell interactions play an important role in many physiological processes. Elucidating these interactions is current interest in the frontier of interdisciplinary studies integrating of chemistry and life sciences. Enzymatic intercellular proximity labeling has become one of the most promising detection methods for cell-cell interactions， enabled by the rapid advancement of protein engineering techniques， including protein function manipulation， directed evolution of enzymes， and precise spatiotemporal regulation on enzymatic activities. We here describe some of the current proximity labeling designs， highlight key advantages and limitations of each method， and discuss the potential applications of proximity labeling.

Key words: Proximity labeling, Cell-cell interaction, Spatiotemporal resolution

中图分类号:

Q503

TrendMD:

马维绎, 刘士博, 陈鹏. 邻近标记方法表征细胞-细胞相互作用. 高等学校化学学报, 2020, 41(12): 2658.

MA Weiyi, LIU Shibo, CHEN Peng. Proximity Labeling in Cell-cell Interaction Detection. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(12): 2658.

图/表 4

Fig.1 Non?enzymatic proximity labeling via Dexter energy transferSchematic depiction of intrasynaptic μ?mapping within a two?cell system[27]. T cells(CD45RO+/PD?1+) and B cells(PD?L1+) form stable interactions in the presence of staphylococcal enterotoxin D(SED). Antibody?photocatalyst complex targeted to PD?L1 or CD45 shows selective trans or cis labeling.Copyright 2020, American Association for the Advancement of Science.

Fig.2 Sensitive visualization of cell?cell interactions with split proteinsSchematic diagram of GRASP(A) and intercellular split HRP reconstitution(B); (C) schematic of split?TurboID reconstitution across ER?mitochondria contacts[19]; (D) MS?based proteomic mapping[19], ERM: ER membrane, OMM: outer mitochondrial membrane. (C, D) Copyright 2020, National Academy of Sciences.

Fig.3 Trans?cellular labeling with BirA and LplA[20](A) Schematic diagram of BLINC, AP: acceptor peptide; (B) schematic diagrams of ID?PRIME, LAP: ligase acceptor peptide; (C—F) ID?PRIME for imaging neurexin?neuroligin interactions in neuron cultures, dissociated neurons were separately nucleofected with *LplA?NRX or LAP?NLG with fluorescent markers(C) and ID?PRIME signal was detected at contact sites[arrow heads(D—F)], bars: 10 μm.Copyright 2013, Public Library of Science.

参考文献 54

1	Cahalan M. D.， Parker I.， Annu. Rev. Immunol.，2008， 26（1）， 585—626
2	Konry T.， Sarkar S.， Sabhachandani P.， Cohen N.， Annu. Rev. Biomed. Eng.，2016， 18（1）， 259—284
3	Feng M.， Jiang W.， Kim B. Y. S.， Zhang C. C.， Fu Y. X.， Weissman I. L.， Nat. Rev. Cancer，2019， 19（10）， 568—586
4	Patel S. A.， Minn A. J.， Immunity，2018， 48（3）， 417—433
5	Weissleder R.， Pittet M. J.， Nat. Biomed. Eng.，2020， 4（5）， 489—498
6	Joglekar A. V.， Leonard M. T.， Jeppson J. D.， Swift M.， Li G.， Wong S.， Peng S.， Zaretsky J. M.， Heath J. R.， Ribas A.， Bethune M. T.， Baltimore D.， Nat. Methods，2019， 16（2）， 191—198
7	Li G.， Bethune M. T.， Wong S.， Joglekar A. V.， Leonard M. T.， Wang J. K.， Kim J. T.， Cheng D.， Peng S.， Zaretsky J. M.， Su Y.， Luo Y.， Heath J. R.， Ribas A.， Witte O. N.， Baltimore D.， Nat. Methods，2019， 16（2）， 183—190
8	Klichinsky M.， Ruella M.， Shestova O.， Lu X. M.， Best A.， Zeeman M.， Schmierer M.， Gabrusiewicz K.， Anderson N. R.， Petty N. E.， Cummins K. D.， Shen F.， Shan X.， Veliz K.， Blouch K.， Yashiro⁃Ohtani Y.， Kenderian S. S.， Kim M. Y.， O'Connor R. S.， Wallace S. R.， Kozlowski M. S.， Marchione D. M.， Shestov M.， Garcia B. A.， June C. H.， Gill S.， Nat. Biotechnol.，2020， 38， 947—953
9	Hung C. F.， Xu X.， Li L.， Ma Y.， Jin Q.， Viley A.， Allen C.， Natarajan P.， Shivakumar R.， Peshwa M. V.， Emens L. A.， Hum. Gene Ther.，2018， 29（5）， 614—625
10	Popescu D. M.， Botting R. A.， Stephenson E.， Green K.， Webb S.， Jardine L.， Calderbank E. F.， Polanski K.， Goh I.， Efremova M.， Acres M.， Maunder D.， Vegh P.， Gitton Y.， Park J. E.， Vento⁃Tormo R.， Miao Z.， Dixon D.， Rowell R.， McDonald D.， Fletcher J.， Poyner E.， Reynolds G.， Mather M.， Moldovan C.， Mamanova L.， Greig F.， Young M. D.， Meyer K. B.， Lisgo S.， Bacardit J.， Fuller A.， Millar B.， Innes B.， Lindsay S.， Stubbington M. J. T.， Kowalczyk M. S.， Li B.， Ashenberg O.， Tabaka M.， Dionne D.， Tickle T. L.， Slyper M.， Rozenblatt⁃Rosen O.， Filby A.， Carey P.， Villani A. C.， Roy A.， Regev A.， Chedotal A.， Roberts I.， Gottgens B.， Behjati S.， Laurenti E.， Teichmann S. A.， Haniffa M.， Nature，2019， 574（7778）， 365—371
11	Satija R.， Farrell J. A.， Gennert D.， Schier A. F.， Regev A.， Nat. Biotechnol.，2015， 33（5）， 495—502
12	Efremova M.， Vento⁃Tormo M.， Teichmann S. A.， Vento⁃Tormo R.， Nat. Protoc.，2020， 15（4）， 1484—1506
13	Gerner M. Y.， Kastenmuller W.， Ifrim I.， Kabat J.， Germain R. N.， Immunity，2012， 37（2）， 364—376
14	Pittet M. J.， Weissleder R.， Cell，2011， 147（5）， 983—991
15	Chung K.， Wallace J.， Kim S. Y.， Kalyanasundaram S.， Andalman A. S.， Davidson T. J.， Mirzabekov J. J.， Zalocusky K. A.， Mattis J.， Denisin A. K.， Pak S.， Bernstein H.， Ramakrishnan C.， Grosenick L.， Gradinaru V.， Deisseroth K.， Nature，2013， 497（7449）， 332—337
16	Yun D. H.， Park Y. G.， Cho J. H.， Kamentsky L.， Evans N. B.， Albanese A.， Xie K.， Swaney J.， Sohn C. H.， Tian Y.， Zhang Q.， Drummond G.， Guan W.， DiNapoli N.， Choi H.， Jung H. Y.， Ruelas L.， Feng G.， Chung K.， bioRxiv，2019， 660373
17	Wang X.， Allen W. E.， Wright M. A.， Sylwestrak E. L.， Samusik N.， Vesuna S.， Evans K.， Liu C.， Ramakrishnan C.， Liu J.， Nolan G. P.， Bava F. A.， Deisseroth K.， Science，2018， 361（6400）， eaat5691
18	Martell J. D.， Yamagata M.， Deerinck T. J.， Phan S.， Kwa C. G.， Ellisman M. H.， Sanes J. R.， Ting A. Y.， Nat. Biotechnol.，2016， 34（7）， 774—780
19	Cho K. F.， Branon T. C.， Rajeev S.， Svinkina T.， Udeshi N. D.， Thoudam T.， Kwak C.， Rhee H. W.， Lee I. K.， Carr S. A.， Ting A. Y.， Proc. Natl. Acad. Sci. USA，2020， 117（22）， 12143—12154
20	Liu D. S.， Loh K. H.， Lam S. S.， White K. A.， Ting A. Y.， PLoS One，2013， 8（2）， e52823
21	Thyagarajan A.， Ting A. Y.， Cell，2010， 143（3）， 456—469
22	Pasqual G.， Chudnovskiy A.， Tas J. M. J.， Agudelo M.， Schweitzer L. D.， Cui A.， Hacohen N.， Victora G. D.， Nature，2018， 553（7689）， 496—500
23	Ge Y.， Chen L.， Liu S.， Zhao J.， Zhang H.， Chen P. R.， J. Am. Chem. Soc.，2019， 141（5）， 1833—1837
24	Liu Q.， Zheng J.， Sun W.， Huo Y.， Zhang L.， Hao P.， Wang H.， Zhuang M.， Nat. Methods，2018， 15（9）， 715—722
25	Cassetta L.， Pollard J. W.， Nat. Rev. Drug Discov.，2018， 17（12）， 887—904
26	Joly E.， Hudrisier D.， Nat. Immunol.，2003， 4（9）， 815
27	Geri J. B.， Oakley J. V.， Reyes⁃Robles T.， Wang T.， McCarver S. J.， White C. H.， Rodriguez⁃Rivera F. P.， Parker D. L. Jr.， Hett E. C.， Fadeyi O. O.， Oslund R. C.， MacMillan D. W. C.， Science，2020， 367（6482）， 1091—1097
28	Han S.， Li J.， Ting A. Y.， Curr. Opin. Neurobiol.，2018， 50， 17—23
29	Branon T. C.， Bosch J. A.， Sanchez A. D.， Udeshi N. D.， Svinkina T.， Carr S. A.， Feldman J. L.， Perrimon N.， Ting A. Y.， Nat. Biotechnol.，2018， 36（9）， 880—887
30	Slavoff S. A.， Liu D. S.， Cohen J. D.， Ting A. Y.， J. Am. Chem. Soc.，2011， 133（49）， 19769—19776
31	Lam S. S.， Martell J. D.， Kamer K. J.， Deerinck T. J.， Ellisman M. H.， Mootha V. K.， Ting A. Y.， Nat. Methods，2015， 12（1）， 51—54
32	Li J.， Han S.， Li H.， Udeshi N. D.， Svinkina T.， Mani D. R.， Xu C.， Guajardo R.， Xie Q.， Li T.， Luginbuhl D. J.， Wu B.， McLaughlin C. N.， Xie A.， Kaewsapsak P.， Quake S. R.， Carr S. A.， Ting A. Y.， Luo L.， Cell，2020， 180（2）， 373—386
33	Roux K. J.， Kim D. I.， Raida M.， Burke B.， J. Cell Biol.，2012， 196（6）， 801—810
34	Beckett D.， Kovaleva E.， Schatz P. J.， Protein Sci.，1999， 8（4）， 921—929
35	Puthenveetil S.， Liu D. S.， White K. A.， Thompson S.， Ting A. Y.， J. Am. Chem. Soc.，2009， 131（45）， 16430—16438
36	Popp M. W.， Ploegh H. L.， Angew. Chem. Int. Ed.，2011， 50（22）， 5024—5032
37	Weeks A. M.， Wells J. A.， Chem. Rev.，2020， 120（6）， 3127—3160
38	Bi X.， Yin J.， Nguyen G. K. T.， Rao C.， Halim N. B. A.， Hemu X.， Tam J. P.， Liu C. F.， Angew. Chem. Int. Ed.，2017， 56（27）， 7822—7825
39	Feinberg E. H.， Vanhoven M. K.， Bendesky A.， Wang G.， Fetter R. D.， Shen K.， Bargmann C. I.， Neuron，2008， 57（3）， 353—363
40	Yamagata M.， Sanes J. R.， Front. Mol. Neurosci.，2012， 5（18）， 1—9
41	Swee L. K.， Lourido S.， Bell G. W.， Ingram J. R.， Ploegh H. L.， ACS Chem. Biol.，2015， 10（2）， 460—465
42	Murray E.， Cho J. H.， Goodwin D.， Ku T.， Swaney J.， Kim S. Y.， Choi H.， Park Y. G.， Park J. Y.， Hubbert A.， McCue M.， Vassallo S.， Bakh N.， Frosch M. P.， Wedeen V. J.， Seung H. S.， Chung K.， Cell，2015， 163（6）， 1500—1514
43	Han Y.， Branon T. C.， Martell J. D.， Boassa D.， Shechner D.， Ellisman M. H.， Ting A.， ACS Chem. Biol.，2019， 14（4）， 619—635
44	Tang W.， Liu D. R.， Science，2018， 360（6385）， eaap8992
45	Hulton C. H.， Costa E. A.， Shah N. S.， Quintanal⁃Villalonga A.， Heller G.， de Stanchina E.， Rudin C. M.， Poirier J. T.， Nat. Cancer，2020， 1（3）， 359—369
46	Polstein L. R.， Gersbach C. A.， Nat. Chem. Biol.，2015， 11（3）， 198—200
47	Wang H.， Wang R.， Cai K.， He H.， Liu Y.， Yen J.， Wang Z.， Xu M.， Sun Y.， Zhou X.， Yin Q.， Tang L.， Dobrucki I. T.， Dobrucki L. W.， Chaney E. J.， Boppart S. A.， Fan T. M.， Lezmi S.， Chen X.， Yin L.， Cheng J.， Nat. Chem. Biol.，2017， 13（4）， 415—424
48	Wang J.， Liu Y.， Liu Y.， Zheng S.， Wang X.， Zhao J.， Yang F.， Zhang G.， Wang C.， Chen P. R.， Nature，2019， 569（7757）， 509—513
49	Wang H.， Sobral M. C.， Zhang D. K. Y.， Cartwright A. N.， Li A. W.， Dellacherie M. O.， Tringides C. M.， Koshy S. T.， Wucherpfennig K. W.， Mooney D. J.， Nat. Mater.，2020
50	Allen C. D.， Okada T.， Tang H. L.， Cyster J. G.， Science，2007， 315（5811）， 528—531
51	Schwickert T. A.， Lindquist R. L.， Shakhar G.， Livshits G.， Skokos D.， Kosco⁃Vilbois M. H.， Dustin M. L.， Nussenzweig M. C.， Nature，2007， 446（7131）， 83—87
52	Rothbauer M.， Zirath H.， Ertl P.， Lab Chip，2018， 18（2）， 249—270
53	Giladi A.， Cohen M.， Medaglia C.， Baran Y.， Li B.， Zada M.， Bost P.， Blecher⁃Gonen R.， Salame T. M.， Mayer J. U.， David E.， Ronchese F.， Tanay A.， Amit I.， Nat. Biotechnol.，2020， 38（5）， 629—637
54	Zhang L.， Li Z.， Skrzypczynska K. M.， Fang Q.， Zhang W.， O'Brien S. A.， He Y.， Wang L.， Zhang Q.， Kim A.， Gao R.， Orf J.， Wang T.， Sawant D.， Kang J.， Bhatt D.， Lu D.， Li C. M.， Rapaport A. S.， Perez K.， Ye Y.， Wang S.， Hu X.， Ren X.， Ouyang W.， Shen Z.， Egen J. G.， Zhang Z.， Yu X.， Cell，2020， 181（2）， 442—459

[1]	陈娜, 秦颂兵, 张兵波, 张旭光, 周菊英, 涂彧. 靶向性纳米金探针对宫颈癌细胞的激光扫描共聚焦散射成像[J]. 高等学校化学学报, 2012, 33(05): 1041.
[2]	刘峰君, 张兵波, 宋歌, 程英升. Gd³⁺与RGD共修饰量子点用于胰腺癌细胞的荧光及MR双模态成像[J]. 高等学校化学学报, 2012, 33(02): 378.
[3]	杜明,赵镭,李朝睿,赵广华,胡小松 . 富硒灵芝中一种新含硒蛋白的纯化、性质及其自由基清除活性研究[J]. 高等学校化学学报, 2007, 28(1): 75.
[4]	谷宇,,杜志游,郎秋蕾,陈集双,何农跃 . 基于RNA杂交的马铃薯纺锤块茎类病毒检测芯片[J]. 高等学校化学学报, 2006, 27(11): 2106.
[5]	聂松, 陈平, 梁宋平. 表面等离子共振-质谱法对相互作用的生物分子在10^-15mol水平的微量鉴定[J]. 高等学校化学学报, 2005, 26(1): 68.
[6]	徐力, 李相鲁, 吴晓霞, 王华, 侯瑞珍, 黄宜兵, 张学忠. 一种新的玉米抗氧化肽的制备与结构表征[J]. 高等学校化学学报, 2004, 25(3): 466.
[7]	刘正春, 贺全国, 肖鹏峰, 梁波, 何农跃, 陆祖宏. 聚氨酯分子印章的制备和表征[J]. 高等学校化学学报, 2002, 23(9): 1823.
[8]	杨波, 泉多惠子, 张书圣. 脂肪酶催化作用下酰胺化反应的立体规则性研究[J]. 高等学校化学学报, 2001, 22(8): 1332.