本文是一篇综述文章，由来自斯坦福大学多个院系的研究团队撰写，主要作者包括Wei Qin、Kelvin F. Cho、Peter E. Cavanagh和Alice Y. Ting。文章于2021年2月发表在《Nature Methods》期刊上，题为“Proximity labeling for deciphering molecular interactions”。该综述聚焦于邻近标记技术（Proximity Labeling, PL）在分子相互作用研究中的应用，特别是蛋白质-蛋白质、蛋白质-RNA和蛋白质-DNA相互作用的发现与分析。
细胞功能的调控依赖于蛋白质、核酸及其相互作用网络，包括蛋白质-蛋白质相互作用（PPIs）、蛋白质-RNA相互作用和蛋白质-DNA相互作用。这些分子相互作用网络在大多数生物过程中起着核心作用，而其失调与多种人类疾病（如癌症、免疫紊乱和神经退行性疾病）密切相关。传统的分子相互作用研究方法（如亲和纯化和酵母双杂交）虽然广泛应用，但存在一些局限性，例如难以捕捉弱或瞬时的相互作用，且对不溶性靶标或缺乏高亲和力抗体的蛋白质不适用。邻近标记技术的出现为这些传统方法提供了补充，能够在活细胞中标记特定蛋白质的邻近分子，并通过质谱或核酸测序进行富集和鉴定。
邻近标记技术利用基因编码的酶（如过氧化物酶或生物素连接酶）与目标蛋白质融合，催化生成扩散性反应物种，从而标记邻近的内源性分子。标记的分子可以通过链霉亲和素珠富集，并通过质谱（蛋白质）或核酸测序（RNA）进行鉴定。邻近标记的标记半径通常在1-10纳米之间，具体取决于反应物种的半衰期和环境中的淬灭剂浓度。该技术可用于研究不同长度尺度的空间蛋白质组，从整个细胞到细胞器和亚细胞区室，再到大分子复合物。
邻近标记技术已被广泛应用于蛋白质-蛋白质相互作用的图谱绘制，特别是在信号传导网络、酶-底物相互作用和动态过程的研究中。例如，研究人员利用邻近标记技术研究了核膜蛋白、蛋白质聚集体以及信号通路中的瞬时相互作用。通过将生物素连接酶（如BioID）与目标蛋白质融合，研究人员成功鉴定了核膜蛋白的相互作用伙伴，并揭示了神经退行性疾病中蛋白质聚集体的相互作用网络。此外，邻近标记技术还被用于研究动态信号通路（如G蛋白偶联受体信号通路）中的瞬时相互作用，捕捉了蛋白质相互作用网络的动态变化。
蛋白质-RNA相互作用在转录、翻译、先天免疫和应激反应等细胞功能中起着关键作用。邻近标记技术与蛋白质-RNA交联相结合，能够发现特定亚细胞区域中与蛋白质邻近的RNA。例如，研究人员利用APEX-RIP和Proximity-CLIP技术，鉴定了内质网膜和核膜上的RNA结合蛋白及其相互作用的RNA。此外，APEX-seq技术通过直接标记邻近的RNA，绕过了蛋白质-RNA交联的步骤，显著提高了RNA捕获的效率，并成功绘制了人类成纤维细胞中亚细胞RNA的分布图谱。
蛋白质-DNA相互作用对基因表达、基因组完整性和染色质组织的调控至关重要。邻近标记技术通过将过氧化物酶（如APEX）与目标蛋白质融合，能够在活细胞中标记邻近的蛋白质，并通过交联和测序分析邻近的DNA区域。例如，ALAP（APEX介导的染色质标记和纯化）技术被用于研究特定基因组位点的蛋白质相互作用，揭示了染色质复合物的调控机制。
尽管邻近标记技术在分子相互作用研究中展现出巨大潜力，但其应用仍存在一些局限性。首先，邻近标记酶（如APEX或BioID）的融合可能影响目标蛋白质的功能、定位或相互作用网络。其次，不同的邻近标记酶具有各自的优缺点，例如APEX需要过氧化氢，可能对氧化还原敏感的蛋白质或通路产生不利影响，而生物素连接酶（如BioID或TurboID）则更适合体内应用。此外，邻近标记实验的数据分析需要定量质谱和适当的对照，以减少假阳性结果。
邻近标记技术的发展为分子相互作用的研究提供了强大的工具，特别是在捕捉瞬时相互作用、不溶性靶标和体内相互作用方面展现出独特优势。未来，通过进一步优化邻近标记酶、提高RNA或DNA标记的效率，并结合CRISPR技术，邻近标记技术有望在更广泛的生物系统中实现高时空分辨率的分子相互作用图谱绘制。此外，多路复用邻近标记酶和富集策略的开发将有助于同时研究多个复合物的相互作用网络。
本文综述了邻近标记技术的发展及其在分子相互作用研究中的应用，展示了该技术在揭示蛋白质-蛋白质、蛋白质-RNA和蛋白质-DNA相互作用网络中的巨大潜力。通过不断优化工具和方法，邻近标记技术有望在未来解决更具挑战性的生物学问题，如分子相互作用的亲和力、化学计量和接触位点的确定。