邻近标记技术在药物靶点筛选中的应用与前景

新药研发是一个漫长、高风险且耗资巨大的过程，其核心环节之一便是药物靶点的发现与确证。一个理想的药物靶点通常是与疾病发生发展密切相关的生物大分子，如蛋白质、核酸等。然而，传统靶点发现方法往往存在一些局限性，它们可能难以捕捉到细胞内瞬时、微弱或动态的分子相互作用，或者在非生理条件下进行，导致结果与体内真实情况存在偏差。

邻近标记（Proximity Labeling, PL）技术的出现能够很好的解决以上的问题，该技术通过在活细胞或活体内原位标记目标蛋白周围的生物大分子，从而将空间上的邻近关系转化为可检测的共价标记，为研究提供了一个前所未有的视角来洞悉复杂的细胞微环境和分子互作网络。PL技术在捕捉动态互作、研究特定亚细胞区域蛋白质组以及探索药物作用机制等方面的独特优势，使其在药物靶点筛选中展现出巨大的潜力。

本文旨在系统阐述邻近标记技术的分子生物学原理，深入探讨其在重大疾病领域的药物靶点筛选中的具体应用案例，分析其相较于传统方法的优势，并对其面临的挑战和未来发展前景进行展望。

一、邻近标记技术

邻近标记技术是一种创新的化学生物学方法，其核心在于利用一个经过基因工程改造的“标记酶”与研究者感兴趣的目标蛋白形成融合蛋白。当这个融合蛋白在细胞内表达并正确定位后，在特定底物存在的条件下，标记酶会被激活，催化产生一种寿命极短但反应活性极高的小分子标记物。这些活性标记分子会从酶的活性中心扩散出来，在其扩散的有效半径内，与邻近的其他生物大分子表面的特定氨基酸残基发生共价连接，从而将这些分子打上标记，随后可以通过亲和纯化富集这些被标记的分子，再结合高通量质谱或核酸测序技术，即可鉴定出在特定时空条件下与诱饵蛋白邻近的分子群体，进而解析其互作网络或所处的微环境。

PL技术原理图

二、邻近标记技术在药物靶点筛选中的应用

邻近标记技术之所以迅速应用于药物靶点筛选领域，在于其独特的能力：它能够在活细胞的天然环境下，捕捉到药物分子直接或间接作用的靶蛋白，并揭示这些靶蛋白所处的复杂调控网络。这对于理解药物的作用机制、发现新的药物靶点以及克服耐药性等方面具有不可估量的价值。与传统的药物靶点筛选方法相比，邻近标记技术提供了更接近生理条件的原位研究手段，能够发现药物在细胞内真实的分子伴侣和效应通路，从而为新药研发提供更为可靠的线索。

1、肿瘤药物研发中的应用

许多肿瘤的发生与特定癌基因的激活或抑癌基因的失活密切相关。利用邻近标记技术，可以系统地研究这些关键信号分子在肿瘤细胞中的相互作用网络，从而发现新的治疗靶点。肿瘤耐药是导致癌症治疗失败的主要原因之一。邻近标记技术可以通过比较药物敏感和耐药肿瘤细胞中，药物靶点蛋白或相关信号通路的邻近蛋白质组的差异，来识别导致耐药性的分子机制。

例如，先前的研究曾利用APEX2邻近标记技术，以铜伴侣蛋白Atox1为诱饵，在活细胞内研究其互作网络。通过定量蛋白质组学分析，他们发现并验证了CRIP2是一个潜在的铜结合蛋白，能与Atox1相互作用，这一发现为理解肿瘤内铜代谢紊乱的机制，并为相关治疗提供了新的潜在药物筛选靶点。

邻近标记技术能够帮助发现全新的抗肿瘤药物靶点，阐明药物在细胞内的真实作用机制和潜在的脱靶效应，指导合理的联合用药策略以增强疗效或克服耐药，并可能发现用于早期诊断、预后判断或疗效预测的生物标志物。

2、神经系统疾病药物靶点筛选中的应用

许多神经退行性疾病的共同特征是特定蛋白质的错误折叠、聚集和在神经细胞内的异常沉积，如阿兹海默症（AD）中的Tau蛋白和β-淀粉样蛋白，PD中的α-突触核蛋白，以及ALS中的TDP-43蛋白。利用邻近标记技术，以这些病理蛋白为诱饵，可以在疾病模型细胞或动物脑组织中，系统地鉴定与它们相互作用的蛋白质网络。这些研究有助于揭示参与蛋白聚集、清除障碍、神经毒性以及神经炎症等过程的关键分子，为理解发病机制和寻找干预靶点提供新的线索。

3、代谢性疾病药物靶点筛选中的应用

代谢性疾病，已成为全球性的公共卫生问题。这些疾病的发病机制复杂，涉及遗传、环境和生活方式等多种因素的相互作用。邻近标记技术为研究关键代谢酶、受体、转运蛋白及其调控网络提供了新的视角。

胰岛素抵抗和胰岛β细胞功能衰竭是2型糖尿病的核心病理生理机制。利用邻近标记技术，可以在胰岛细胞、肝细胞、脂肪细胞或肌肉细胞中，以胰岛素受体、葡萄糖转运蛋白、或参与胰岛素合成与分泌的关键蛋白为诱饵，鉴定影响胰岛素信号转导、葡萄糖摄取或胰岛素分泌的新调控因子。上海科技大学水雯箐/庄敏团队最近的一项研究就是一个很好的例子。他们发展了基于配体的邻近标记技术，利用与GLP-1配体偶联的APEX2探针，成功实现了对内源表达的GLP-1受体在不同细胞类型（包括胰岛β细胞）中细胞膜互作蛋白质组的特异标记和鉴定。GLP-1R是治疗肥胖症和II型糖尿病的关键药物靶点，这项研究为深入理解GLP-1R的细胞类型特异性调控机制及其在不同组织中的生理功能提供了重要线索。

三、总结

邻近标记技术作为一项革命性的化学生物学工具，通过其在活细胞内原位捕捉蛋白质及其它生物大分子空间邻近关系的独特能力，深刻地改变了我们对细胞生物学过程的认知，并在药物靶点筛选和作用机制研究领域展现出前所未有的潜力。它克服了传统互作研究方法的诸多局限，能够鉴定到瞬时、微弱以及特定亚细胞区域的分子互作，为理解复杂疾病（如肿瘤、神经系统疾病、代谢性疾病）的病理机制和发现创新药物靶点提供了强有力的支持。

参考文献：

1. Chen L, Li N, Zhang M, et al. APEX2-based Proximity Labeling of Atox1 Identifies CRIP2 as a Nuclear Copper-binding Protein that Regulates Autophagy Activation. Angew Chem Int Ed Engl. 2021;60(48):25346-25355. doi:10.1002/anie.202108961
2. Mathew B, Bathla S, Williams KR, Nairn AC. Deciphering Spatial Protein-Protein Interactions in Brain Using Proximity Labeling. Mol Cell Proteomics. 2022;21(11):100422. doi:10.1016/j.mcpro.2022.100422
3. Dang T, Yu J, Cao Z, et al. Endogenous cell membrane interactome mapping for the GLP-1 receptor in different cell types. Nat Chem Biol. 2025;21(2):256-267. doi:10.1038/s41589-024-01714-1