他，北大最年轻教授之一，33岁获“国家杰青”资助！

陈鹏，1998年高中毕业保送到北京大学化学与分子工程学院，2002年在北京大学化学与分子工程学院获得理学/经济学双学士学位，2003年仅用一年时间在芝加哥大学获得硕士学位， 2007年在芝加哥大学获得化学博士学位（导师是RNA表观遗传学先驱何川教授），随后在斯克利普斯研究所/诺华制药美国圣迭戈研发中心从事博士后研究，2009年起，在北京大学化学与分子工程学院先后任研究员、教授；2011年起，在北大-清华生命科学联合中心先后任研究员、高级研究员，此后成为北大史上最年轻的教授之一；2015年起，任北京大学化学生物学系主任。2017年起，任北京大学前沿交叉学科研究院副院长。2020年起，在深圳湾实验室任资深研究员。

陈鹏课题组长期致力于在活细胞这一极具挑战的特殊环境内发展化学反应工具，推动生物大分子功能的原位调控与研究，实现了一系列原始创新。他集中发展了适用于活细胞体系的“化学工具箱”，实现了蛋白质特异标记、光交联以及原位激活，并利用这一平台刻画了蛋白质机器的时空功能调控、动态化学修饰以及蛋白-蛋白相互作用等关键分子事件，在生命科学前沿问题的研究中展现了化学工具的优势和特色。尤其是他首次提出了“生物正交断键反应”（Bioorthogonal bond-cleavage reactions）的概念，潜心发展基于“断键化学”的新型生物正交反应，并以此开发了蛋白质化学脱笼技术，为在活细胞内“原位”激活蛋白质提供了普适工具，在基础研究和蛋白质药物的开发中都得以应用，被国内外同行广泛关注，相关工作保持国际领先水平，并已在Nature及其子刊等顶级期刊发表文章。值得一提的是，他研发出的新一代基因编码的“光交联探针”技术，这使他成为北大学者在《自然•化学生物学》期刊上发表文章的第一人。2012年，陈鹏获得国家自然科学基金委“国家杰出青年科学基金”资助，成为我国化学领域最年轻的“杰青”获得者之一。2021年，作为第一完成人主持的“活细胞化学反应工具的开发与应用”项目荣获“国家自然科学二等奖”。他还曾获首届科学探索奖、国际生物无机化学会早期职业奖（首位亚洲获奖人）等。现任现任中国化学会化学生物学专业委员会主任、美国化学会ACS Chemical Biology执行主编等职。

在未受干扰的染色质背景下对动态组蛋白修饰的全系统分析是我们理解健康和疾病中代谢稳态和转录调控之间协调的关键。短链脂肪酸（SCFAs）是结肠细胞的主要能量来源，对胃肠道健康至关重要。最近的报道也称其会引起一些修饰行为，特别是组蛋白上的赖氨酸酰化。越来越多的证据开始表明，这一行为在不同的细胞过程中的作用显著不同，包括细胞命运规范、发育、免疫学以及疾病的病因。然而，潜在的分子细节仍然难以捉摸，这主要是由于缺乏可扩展的工具来研究和深入分析活细胞中由特定位点组蛋白修饰定义的基因组区域和相关的染色单体蛋白质组。

北京大学陈鹏教授/Fangfei Qin和季雄研究员在此开发了一种单位点解析多组学（SiTomics）策略，用于系统绘制动态修饰的图谱，并随后对活细胞中由特定染色质酰化定义的染色质化蛋白质组和基因组进行分析。通过利用遗传密码扩展策略， SiTomics工具包揭示了短链脂肪酸刺激下不同的巴豆酰化（如H3K56cr）和β-羟基丁酰化（例如H3K56bhb），并建立了染色质酰化标记定义的蛋白质组、基因组和功能的联系。这一方法最终鉴定出GLYR1是一种在调节H3K56cr的基因体定位中的独特相互作用蛋白，并发现了在bhb介导的染色质调节下的提升型增强子库（elevated super-enhancer repertoire）。SiTomics为阐明“代谢物修饰-调节”轴提供了一种平台技术，该技术可广泛适用于酰化以外的修饰和组蛋白以外的蛋白质多组学分析和功能鉴定。

文献链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0092867423001095

特定细胞或生物分子的原位标记和分析对于理解生物结构和过程的运行机制至关重要。基因编码方法已被广泛用于此类研究，但此方法却不太适合于难以转染的样本，特别是来自临床相关环境的样本。作为潜在的替代方法，新兴的生物正交反应能通过化学手段在生命活体中进行原位研究，为生物学研究提供了简单高效的工具。特别是近期涌现的生物正交光催化化学，能分别通过催化剂的靶向和外源光控同时实现精准的空间和时间分辨，具有时空灵活可控的巨大优势。

特别是近期涌现的生物正交光催化化学，能分别通过催化剂的靶向和外源光控同时实现精准的空间和时间分辨，具有时空灵活可控的巨大优势。基于此，北京大学陈鹏教授和樊新元副研究员等人开发了细胞外靶向光催化脱笼系统（CAT-Ex），用于在活细胞条件下进行空间分辨的细胞标记和表面蛋白质组分析。为此，作者通过点击化学构建了抗体-光催化剂偶联体，赋予光催化剂在特定细胞表面的定位能力，以在靶细胞表面建立具有明显光催化反应活性的CAT-Ex平台。随后，作者通过将CAT-Ex与生物素分子的反应联用，设计了一种光催化介导的细胞选择性共价标记策略，使生物素前体和近端醌甲基化物探针能够在靶细胞上进行光催化脱笼，进一步实现了空间分辨的膜蛋白质组分析，揭示了围绕内源性HER2受体的潜在微结构域蛋白质簇。最后，该策略还被扩展到光催化前药脱笼以选择性杀死肿瘤细胞，因此可基于CAT-Ex建立一个通用平台，以时空精度对靶细胞进行各种光控分子操作。

文献链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2451929422002145

膜电位是细胞信号传导的关键，其由一系列离子选择性泵和通道动态调节。与传统电生理技术相比，荧光膜电位成像在时空分辨率、测量通量等方面具有明显的优势。其中，长波长荧光探针由于具有更强组织穿透能力，引起了人们的广泛关注。然而目前可使用的远红区（640 nm以上）膜电位探针在亮度和灵敏度方面存在严重缺陷，因此亟需发展高性能荧光探针以用于记录神经元动作电位。

为此，利用生物正交反应和膜蛋白工程化改造策略，北京大学邹鹏教授和陈鹏教授等人报道了一系列明亮灵敏的荧光膜电位探针—杂化电压指示剂HVI，其荧光强度通过电致变色Förster共振能量转移可对膜电位变化展现出强烈的敏感性。作者进行了酶介导的探针位点特异性掺入，然后进行逆向电子需求Diels–Alder环加成，从而产生具有混合染料-蛋白质结构的增强电压感应视紫红质。其中，橙红区探针HVI-Cy3具有最高的灵敏度，能够以高达90的信噪比成像和毫秒响应动力学记录神经动作电位；远红区探针HVI-Cy5具有最红移的光谱，不仅可与绿色或红色荧光探针同时使用，实现膜电位与钙离子、神经递质等重要生理信号的并行观测，还能够与光遗传学工具联用，实现全光学神经电生理检测。

文献链接：

在活细胞等生理环境下开展蛋白质功能的原位研究具有重要的科学意义，这对于理解动态细胞过程至关重要。然而，使用传统的遗传或药理学方法，对生命系统中蛋白质活性进行选择性和时间控制的分析是一项极具挑战性的任务。

有鉴于此，北京大学陈鹏教授和王初教授等人合作，提出并发展了一种蛋白质“邻近脱笼”策略。在该策略中，通过向蛋白质活性中心附近引入一种带有光保护基团的非天然酪氨酸（ONBY）, 可实现对其活性的远程干扰和抑制；随后通过“光脱笼”反应将保护基团移除，使其活性重新恢复。将可遗传编码的非天然氨基酸脱笼技术与计算机辅助设计筛选技术相结合，作者在一系列不同种类的蛋白质上实现了高时间分辨的原位激活，为在活细胞及活体动物内研究蛋白质的动态调控机制提供了一种普适性技术。利用这一被命名为CAGE-prox的新方法，他们建立并验证了“激酶正交激活和信号转导调控”、 “时间分辨的蛋白质组学分析”，“基于毒素蛋白的抗肿瘤蛋白前药”等一系列原创应用，展示了这一化学生物学新技术在开展蛋白质动态功能研究与调控中的优势和特色。

尽管蛋白质-蛋白质相互作用（PPIs）在几乎所有的细胞过程中都发挥着至关重要的作用，但在其生物学背景下识别短暂的相互作用仍然具有挑战性。传统的光交联策略可以用于识别瞬时相互作用，但由于交联的诱饵蛋白，这些方法通常都表现出了高背景的缺陷。 

为了解决这个问题，北京大学陈鹏教授等人开发了膜可渗透的可释放光交联剂，该交联剂允许在蛋白质复合物分离后分离猎物-诱饵，并可以作为非天然氨基酸安装在特定蛋白质（POI）中。基于此，作者描述了在活的大肠杆菌和哺乳动物细胞中使用两种可释放的光交联剂DiZSeK和DiZHSeC的方法。作者首先描述了一种基于光交联剂DiZSeK的蛋白质光交联后切割（CAPP）策略，其中猎物蛋白质库在亲和纯化后可从POI中释放。随后，作者还描述了基于光交联剂DiZHSeC的蛋白质光交联（IMAPP）策略后的原位切割和质谱（MS）标记转移。该策略可用于交联位点的识别，以允许对PPI界面的详细表征。最后，作者还描述了猎物-诱饵分离（用于CAPP）和MS标签转移和识别（用于IMAPP）的过程。

文献链接：

https://www.nature.com/articles/nprot.2017.090

生物正交化学反应（2003年提出）是近年来化学研究的一个蓬勃发展的领域，是一种前所未有的技术，其通过外源化学策略来剖析天然生物过程。在这一反应中，要求可以在生物体系中特异进行，同时与生物体系（反应）互不干扰。然而，目前生物正交化学的概念主要集中在两组份之间的连接反应（用于标记或者修饰生物分子），而忽略了其它类型的化学转变。

为了打破这一思维局限，北京大学陈鹏教授等人发表展望(Perspective)文章，介绍刚刚兴起的以断裂化学键为目标的新型生物正交反应及其应用。这些反应扩展了我们的生物正交化学库，实现了一系列令人兴奋的新生物学应用，从化学控制的细胞内蛋白质和小分子药物的空间和时间激活，到在生理条件下直接操纵完整细胞。作者希望借此强调多样化的生物正交反应，以期丰富生物正交反应的工具箱。他们相信生物正交反应的多元化发展必将为更多棘手的生物医学问题提供独特的解决方案。

文献链接：

https://www.nature.com/articles/nprot.2017.090

特异性激活感兴趣的细胞内蛋白质的小分子有望成为化学生物学领域的强大研究工具。然而，如何开发普遍适用的策略仍然是非常艰巨的挑战。

为此，北京大学陈鹏教授等人描述了一种小分子触发的生物正交蛋白质脱笼技术，该技术依赖于逆电子需求Diels-Alder反应（invDA）来消除活细胞内化学笼状蛋白质侧链。该方法通过掩盖和释放赖氨酸的胺，从而在活细胞中高效快速地激活蛋白质，即可在几分钟内在其天然细胞环境中有效激活给定的蛋白质（例如酶）。与以前的蛋白质激活策略相比，这种方法具有独特的优势。首先，TCOK-a和Me2Tet试剂为赖氨酸侧链的化学控制提供了一种普遍适用的笼化-脱笼对。该策略还可以进一步扩展以调节赖氨酸以外的额外氨基酸的激活。第二，有效脱笼时间尺度与广泛采用的紫外线介导的蛋白质光衰变方法的时间尺度相当，从而使其适合于活细胞中的快速蛋白质活化。第三，小分子Me2Tet被用来触发脱笼事件，它可以被用于深部组织，甚至是紫外线照射难以接近的完整动物。最后，Me2Tet具有高度的生物相容性，其荧光衍生物已被广泛用于多种生物分子的细胞内标记。这种设计合理、小分子触发的生物正交蛋白激活策略有望成为开启细胞内酶的普遍适用工具，从而开启其下游细胞反应或信号事件，在细胞工程和治疗中发挥作用。

作为生物体内含量最多的一类生物大分子，蛋白质几乎参与了所有的生命活动，因此“在体”研究与调控其活性及生物功能意义重大。与发展较为成熟的蛋白质活性抑制剂及相应的“功能缺失性”研究相比，小分子激活剂对于研究蛋白质的结构与功能更为有效。这主要是因为后者可以在活细胞及活体动物、组织内实现“功能获得性”研究，从而为目标蛋白质在天然环境下的功能及其在生命活动中扮演的角色提供更准确和细致的信息。然而，通过小分子实现蛋白质的原位激活是一项极具挑战性的任务，目前还没有一种广泛适用于不同类型蛋白质的普适性小分子激活策略。

北京大学陈鹏教授等人将基于钯催化剂的”脱保护反应”与非天然氨基酸定点插入技术相结合，通过优化生物相容的小分子钯催化剂和化学保护基团，成功发展了一种活细胞内的普适性蛋白质激活技术。该方法通过将一种带有化学保护基团的赖氨酸（炔丙基碳酸酯-赖氨酸，Proc-赖氨酸)以非天然氨基酸的形式定点取代目标蛋白质上关键活性位点的天然赖氨酸，使蛋白质的活性处于“关闭“状态。利用能够高效催化”脱保护反应”的钯化合物，他们在活细胞内实现了蛋白质侧链的原位脱保护反应（Proc-赖氨酸向天然赖氨酸的转化），使该蛋白质重新回到“开启”状态，实现“原位”激活。这一策略的优势在于将非天然氨基酸直接插入了目标蛋白质酶的催化活性位点，使其处于完全“关闭“的状态；而在激活过程中只要产生少量的处于“开启”状态的蛋白质就足以对其功能及相关生物学功能进行研究。

文献链接：

https://www.nature.com/articles/nchem.1887

酸性伴侣是保持肠道病原体在极酸性哺乳动物胃（pH=1-3）中生存的蛋白质稳态的重要因素。然而，对这些伴侣蛋白的客户蛋白（client protein）的研究在很大程度上还处在非常原始的阶段，这主要是因为在低pH条件下确定蛋白质-蛋白质相互作用的难度非常大。

为此，北京大学陈鹏教授等人开发了一种基因编码的高效蛋白质光交联探针，能够在大肠杆菌周质中分析主要酸保护伴侣HdeA的体内底物。研究鉴定了HdeA客户蛋白，并发现周质伴侣DegP和SurA首先在低pH下受到了HdeA的保护，但它们随后促进了HdeA介导的其他客户蛋白的酸回收。在缺乏ATP的大肠杆菌周质中，这种独特的、不依赖ATP的伴侣配合可能是支持肠道细菌耐酸性的关键。因此，作者认为，上述交联剂在揭示任何给定蛋白质的生理相互作用伙伴，从而揭示它们在正常和应激条件下的功能方面展现出了巨大的潜在价值。

文献链接：

https://www.nature.com/articles/nchembio.644

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来源：BioMed科技

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