图 转录组光催化标记技术CAT-seq及同步多组学光催化标记技术CAT-ortho
在国家自然科学基金项目（批准号：22222701、92478119、22321005、92253301）等资助下，北京大学樊新元、刘君、陈鹏等在化学技术服务于活细胞多组学研究方面取得进展。他们成功开发了活细胞转录组光催化标记技术 CAT-seq，以及实现同步多组学光催化标记的CAT-ortho技术。相关成果以“Photocatalytic labelling-enabled subcellular-resolved RNA profiling and synchronous multi-omics investigation”为题，于 2025 年 9 月 16 日在《自然・化学》（Nature Chemistry）期刊上发表。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41557-025-01946-1。
线粒体RNA构成的转录组及其修饰状态对细胞代谢具有重要影响，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紧密相关。然而，在活细胞中解析线粒体转录组，尤其是与蛋白质组的同步解析，仍然极具挑战。现有方法如细胞器分离、固定细胞成像以及酶促邻近标记，往往丢失原位信息、缺乏时空分辨、或难以应用于原代和临床样本。尤其是在同一样本中实现多组学的同步解析更为困难，严重限制了对分子互作和联动机制的理解。
针对该问题，上述团队基于其前期提出的生物正交光催化理念（利用催化剂实现空间靶向，外源光提供时间控制），通过化学反应设计建立了高效RNA标记体系CAT-seq，实现了活细胞线粒体中RNA的时空可控标记。在此基础上，结合团队开发的蛋白质标记技术CAT-Prox（J. Am. Chem. Soc. 2021, 18714）和CAT-S（Nat. Commun. 2024, 2712），进一步优化探针设计，发展出CAT-ortho技术；该技术可在同一样品中实现转录组与蛋白质组的正交同步标记。利用CAT-ortho，研究人员解析了小鼠原代CD8⁺T细胞在激活过程中的线粒体多组学动态，发现转录组丰度和调控蛋白的显著上调，并结合氧化磷酸化水平的变化，揭示了线粒体转录调控在T细胞激活中的关键作用。
这两种新技术无需基因转染且操作简便，可在同一样品中实现多类生物大分子的时空可控标记。不仅适用于常规细胞系，还可直接应用于原代细胞和临床样本，为亚细胞分辨的转录组及多组学研究提供重要的化学工具支撑。