蛋白质组学作为生命科学与医学领域的核心技术之一，深刻推进了我们对微观组学世界的认知。然而，当今绝大多数蛋白质组学研究仍然依赖“离体”样本。这种“从体外回推体内”的方式，成为后组学时代深入揭示疾病机制与实现精准治疗的巨大瓶颈。
2013 年以来，斯坦福大学Alice Ting 团队在 Science 和 Molecular Cell 连续发表 APEX 临近标记相关工作，首次展示了在活细胞中基于改造过氧化物酶进行快速、微尺度的蛋白标记与质谱鉴定（1,2）。此后，后续研究者也开始尝试利用 AAV 等手段在小鼠特定脑区表达标记酶，对神经元和星形胶质细胞进行蛋白质组研究（3,4）。然而这些尝试仍然存在明显局限：一是缺乏专用、可广泛嫁接的基因工程小鼠模型，很难在全身多个器官、不同细胞群体中系统开展体内蛋白质标记；二是现有底物并非为复杂的哺乳动物体内环境“量身定制”，在血液循环、不同组织酶环境中稳定性和标记效率不足；三是对于诸如肿瘤外泌体等“外源蛋白”的体内命运，几乎完全依赖体外分离外泌体后的间接推断，难以真正回答：哪些外源蛋白最终在受体器官中“落地生根”，并驱动病理改变？
近日，北京大学李默团队在 Molecular Cell 在线发表题为 “In vivo proteomic labeling reveals diverse proteomes for therapeutic targets” 的研究工作。该研究基于自主产生的 APEX2-EGFPf/f小鼠和新型标记底物 Btn-Ph-3F，首次成功建立普适化体内蛋白质组原位标记技术（IVPL, in vivo protein labeling），不仅实现了多器官、特定细胞群的高质量体内蛋白质组学描绘，更深度加强了“医/化交叉”的思维范式并推动学科通融。
在这项工作中，研究团队构建的IVPL小鼠可与任意商业化 Cre 小鼠杂交，实现空间高度可定制的 APEX2-EGFP 表达。这一策略本质上将 APEX2 变成了一个“通用插槽”，为不同研究领域快速“接入”这一平台提供了高度可及性。与此同时，团队设计的新颖体内反应底物Btn-Ph-3F在肠道、乳腺等多种复杂组织中均具有良好的稳定性和反应性能。利用IVPL体系，研究者成功获取了肠上皮、乳腺上皮以及实体瘤中 Treg 细胞的高质量体内原位蛋白质组数据。
其后，团队将目光投向了一个长期困扰肿瘤研究领域的问题——外泌体在体内究竟如何重塑远端器官？ 过去二十年，大量关于肿瘤外泌体的蛋白质组学研究陆续发表，但几乎全部基于“体外分离外泌体→质谱鉴定”的经典流程。外泌体被受体细胞吞噬后，大部分会沿内吞–溶酶体途径被降解（5），只有极少数蛋白可以逃脱这一“命运”，并真正参与重塑受体细胞。传统策略很难鉴定这类痕量的、在体内真正发挥作用的外泌体蛋白质。团队通过尾静脉注射分别给予 Luminal-A 型（LABC）和 三阴型（TNBC）乳腺癌患者来源的外泌体，再在特定时间窗口以 Btn-Ph-3F触发IVPL蛋白质标记，使得只有那些成功被乳腺细胞吞噬并未被降解的外源蛋白，在体内原位被生物素化并被质谱鉴定，并将这一集合命名为“uptake exo-proteome”，即本质上捕捉了“外泌体–受体器官轴线中真正落地的蛋白执行者”。进一步分析，团队发现外泌体蛋白LDHAL6A实质性驱动TNBC的远端转移。敲低TNBC细胞中的 LDHAL6A 明显削弱了肿瘤细胞的增殖和侵袭能力；在PDX-及231-小鼠肿瘤模型中，靶向抑制 LDHAL6A 联合紫杉醇化疗可协同抑制肿瘤生长与肺转移，相比单药治疗具有更强的抗肿瘤效果。
IVPL技术有望在未来快速扩展到心脑血管疾病、自身免疫病、代谢性疾病以及组织再生与衰老等多个领域，推动我们真正走向“在体内、在原位、在真实微环境下理解蛋白质和疾病”的新阶段。
北京大学第三医院王琪龙、北京市朝阳医院姜月宁、北京大学第三医院毕美玉为该论文共同第一作者。北京大学李默教授为通讯作者。该研究受国家自然科学基金委交叉学部“杰出青年”基金、卓越研究群体、北京市自然科学基金重点项目等资助。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.molcel.2025.11.008
Ref:
1. Rhee, H.W., Zou, P., Udeshi, N.D., Martell, J.D., Mootha, V.K., Carr, S.A., and Ting, A.Y. (2013). Proteomic mapping of mitochondria in living cells via spatially restricted enzymatic tagging. Science 339, 1328-1331. 10.1126/science.1230593.
2. Hung, V., Zou, P., Rhee, H.W., Udeshi, N.D., Cracan, V., Svinkina, T., Carr, S.A., Mootha, V.K., and Ting, A.Y. (2014). Proteomic mapping of the human mitochondrial intermembrane space in live cells via ratiometric APEX tagging. Mol Cell 55, 332-341. 10.1016/j.molcel.2014.06.003.
3. Dumrongprechachan, V., Salisbury, R.B., Soto, G., Kumar, M., MacDonald, M.L., and Kozorovitskiy, Y. (2021). Cell-type and subcellular compartment-specific APEX2 proximity labeling reveals activity-dependent nuclear proteome dynamics in the striatum. Nat Commun 12, 4855. 10.1038/s41467-021-25144-y.
4. Soto, J.S., Jami-Alahmadi, Y., Chacon, J., Moye, S.L., Diaz-Castro, B., Wohlschlegel, J.A., and Khakh, B.S. (2023). Astrocyte-neuron subproteomes and obsessive-compulsive disorder mechanisms. Nature 616, 764-773. 10.1038/s41586-023-05927-7.
5. van Niel, G., D'Angelo, G., and Raposo, G. (2018). Shedding light on the cell biology of extracellular vesicles. Nat Rev Mol Cell Biol 19, 213-228. 10.1038/nrm.2017.125.
来源：北京大学前沿交叉学科研究院
