細胞內的蛋白質在時間和空間等多個維度上高度動態，很多蛋白質會在不同的細胞器或細胞之間進行轉運和交流，介導細胞內的多種生物學功能。

基于顯微鏡的蛋白成像技術可以在活細胞中追蹤蛋白質的運動軌跡，但它只能對特定單個蛋白進行研究；基于質譜的蛋白質組學技術可以同時分析細胞裂解中的上萬個蛋白質，但它卻錯失了這些蛋白在活細胞中的動態信息。因此，發展多維度的蛋白質組學方法有助于系統解析細胞內不同蛋白質的生命軌跡。

清華大學藥學院助理教授秦為致力于鄰近標記等化學生物學研究，他開發了具有時空分辨率的功能性鄰近標記技術，實現亞細胞區域內特定蛋白類型的大規模分析；同時開發了針對蛋白質空間動態轉運的新型鄰近標記技術 TransitID，并利用該方法首次實現了細胞內不同細胞器之間以及細胞之間蛋白轉運的大規模分析。

憑借著開發化學驅動的組學技術系統描繪生物分子的交通圖譜，為挖掘疾病標志物提供新思路，秦為成為 2023 年度《麻省理工科技評論》“35 歲以下科技創新 35 人” 中國入選者之一。

結緣生命科學，成果刊發 Cell

與生命科學結緣是 2010 年的秋天。彼時，高考失利的秦為壓線進入北京理工大學，并由炸藥工程調劑為生物工程。初入大學，秦為即主動加入北京理工大學慶宏教授實驗室。“我覺得自己不擅長文娛體育活動，只能在寢室睡覺”。慶宏教授實驗室的經歷啟蒙了秦為的科研思維，不僅打下了堅實的基礎，也為其之后的科研之路拉開了帷幕。

2014 年，秦為免試面試進入北大攻讀博士學位。在確立化學生物學作為研究方向的同時，他選擇擁有陳興和王初兩位教授作為博士生導師，以結合兩個實驗室的優勢，在化學蛋白質組學分析和蛋白質糖基化功能研究領域開展研究。自此，秦為開啟了他長達十余年的化學生物學研究。

博士期間，秦為針對 O-GlcNAc 修飾和衣康酸修飾，發展了一系列化學蛋白質組學策略系統評估了這兩種代謝相關修飾對蛋白質穩定性和功能的調控。“自律、勤奮、高效、對科學充滿激情、具有深刻的洞察力......我堅信他將成為化學生物學領域的未來領導者......”，陳興和王初如是評價，難掩對秦為的欣賞。

2019 年，秦為遠赴美國斯坦福大學進行博士后研究，師從美國科學院院士 Alice Ting 教授，聚焦于發展新型鄰近蛋白質組學技術來實現活細胞內蛋白質組動態的時空分析。Alice Ting 實驗室的研究項目大致分為三個領域：（1）用于可擴展的單細胞記錄過去細胞事件的分子記錄器；（2）用于精確操縱細胞生物分子、通路和細胞器的分子編輯器；（3）用于無偏發現功能分子的鄰近標記。

其中，鄰近標記技術（Proximity Labeling, PL）廣泛用于研究細胞內蛋白質-蛋白質相互作用及其動態變化。這種技術利用特定的酶（例如生物素連接酶或過氧化物酶）在靠近目標蛋白質的鄰近區域內進行標記，從而識別和捕捉與目標蛋白質相互作用的分子。

事實上，去美國之前，秦為就與 Alice Ting 充分探討了博士后課題。北大的科研經歷讓秦為信心滿滿，也讓他順理成章開啟了蛋白質動態相關的研究。在這之前，Alice Ting 已經開發并多次迭代鄰近標記技術，她表示她曾準備逐步淡化該研究領域，與秦為的交談讓其看到了新的可能性，重新喚醒了對于鄰近標記技術的興趣。原有的鄰近標記技術雖然廣泛應用于鑒定特定細胞區域內的組成蛋白，但局限于單個時間點的靜態信息。

基于 Alice Ting 實驗室已有的基礎，秦為開發了一種能夠解析活細胞內蛋白質時空動態過程的鄰近標記技術，為精確理解蛋白質功能的動態調控奠定了基礎。2023 年，這項研究成果正式發表于 Cell 期刊，也是他首次以一作身份在 Cell 上發論文。

這種名為 TransitID 的技術可在活細胞中同時繪制數千種內源蛋白質的遷移路徑圖，從而揭示目前現有方法都無法看到的生物學圖景。研究期間，秦為應用該技術鑒定了從細胞質跑到線粒體內的蛋白；同時區分了分別起始于線粒體外膜和細胞質的線粒體蛋白；另外還將該方法應用于分析從細胞質到細胞核的轉運蛋白，以及它們在氧化壓力條件下的動態變化；并進一步將 TransitID 應用于分析應激顆粒和核仁之間在不同壓力條件下的蛋白質交流情況

除了細胞內的蛋白轉運，秦為還將 TransitID 拓展至分析細胞與細胞之間的蛋白轉運。成功鑒定到了 60 多個從癌細胞細胞質轉移到巨噬細胞細胞質的蛋白，并同時區分了他們潛在的轉運途徑。

“我們所開發的技術除了理解活體內的基本生物學規律外，也可以用于發現疾病發生過程中的藥物靶標和生物標志物，具有很高的轉化前景。如開發針對癌癥早期診斷的生物標志物檢測盒等等。”

這項歷時 4 年的研究也讓秦為頗有感概，“4 年的時間里，大約 2 年半在建立技術，不斷試錯；此外，博士后研究期間恰逢新冠疫情，實驗室有人數和時間管控要求，2020 年一整年都在輪班制工作模式下進行項目。”

據悉，上述研究基于體外培養細胞進行，未來計劃在動物體內進行，以了解哪些蛋白質在不同器官之間交流，以及涉及的信號轉導通路。

全職加入清華，推動蛋白質組學技術革新

人類基因編碼的蛋白質只有大約兩萬種，但由于翻譯后修飾、蛋白復合物以及亞細胞定位等因素，細胞內蛋白質組遠遠比理論上更為復雜。一個蛋白的生命軌跡包括了它從生成到降解的過程中，在時間、空間、功能執行以及相互作用等多個維度中的動態經歷。了解細胞中每一個蛋白質的生命軌跡對于精確理解蛋白質組的復雜網絡和動態調控有著重要意義。

蛋白轉運過程及其介導的細胞間通訊對于機體功能的正確執行至關重要，例如在大腦和腸道之間存在著很多信號蛋白的傳遞。然而目前還缺乏系統無偏差的組學方法來挖掘活體中的通訊蛋白，解決這一世界性難題將推動各個生物學領域的研究和發展。

TransitID 技術實驗了體外培養細胞之間的轉運分析，為實現上述目標邁出了一小步，但目前在活體中描繪蛋白交流圖譜還存在著非常大的技術挑戰。

如今，秦為已全職加入清華大學開展獨立研究，繼續利用化學生物學和蛋白質組學技術，以及探索宿主病原體相互作用界面中生物大分子的動態修飾和相互作用。其長期的研究目標是推動蛋白質組學從一維到四維的技術革新，描繪出細胞內每一個蛋白質在時間、空間、功能和相互作用四個維度中的生命軌跡，從而精確理解蛋白質功能的動態調控。

下一階段，秦為計劃將開發的技術應用于腫瘤免疫領域，探索腫瘤細胞和微環境中免疫細胞間的不同通訊機制，為發展新型腫瘤免疫療法提供新的思路；同時，將關注腫瘤細胞和免疫細胞間的直接相互作用，鑒定相互作用界面中的關鍵蛋白，從而挖掘免疫干預的新靶點；另外也將發展新型免疫多肽組學，鑒定腫瘤表面所呈遞的能夠招募T細胞的功能性新抗原，為實現個性化 T 細胞療法提供技術保障。

“首先我們將系統描繪腫瘤細胞和不同免疫細胞（巨噬細胞、T 細胞等）之間的交流蛋白，以及區分它們的轉運途徑（外泌體，納米管，遷移體等）。”秦為介紹道。

值得注意的是，TransitID 技術所使用到的兩種鄰近標記酶在活體中都存在特異性差、毒性高等問題。針對上述問題，課題組未來將通過定向進化和理論設計相結合的模式，發展活體兼容的新型鄰近標記酶，并建立活體內轉運蛋白的標記和鑒定方法。

參考鏈接：

1. Wei Qin; Charles Xu; James Messing; Brian D. Freibaum; Steven Boeynaems; J. Paul Taylor; Namrata D. Udeshi; Steven A. Carr; Alice Y. Ting ; Dynamic mapping of proteome trafficking within and between living cells by TransitID, Cell; 2023.