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星形胶质细胞是大脑数量最多的胶质细胞，其高度分支的突起与神经元、突触、血管及其他胶质细胞形成紧密接触，执行多种关键功能。单细胞RNA测序与影像学技术揭示了星形胶质细胞在脑区具有显著异质性，具体表现为形态学差异以及年龄相关或疾病特异性的分子表达差异。然而，已有证据表明RNA丰度并不总是与蛋白质水平或其定位相对应，获得mRNA的表达水平，并不能准确判定相应的蛋白质表达水平。因此，为全面揭示星形胶质细胞及大脑多细胞环境的复杂结构特征，相较于RNA转录组学，采用蛋白质组学分析更具优势。

2026年6月23日加利福尼亚大学洛杉矶分校Baljit S. Khakh团队在Nature Reviews Neuroscience杂志发表综述系统阐述邻近标记技术联合蛋白质组学与亚细胞蛋白质组学策略在星形胶质细胞研究中的应用，着重阐述这些技术手段如何从蛋白质分子层面深化对星形胶质细胞功能的认识。

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星形胶质细胞蛋白质组学技术：优势与局限

研究星形胶质细胞的传统蛋白质组学方法首先需要进行组织解离，随后通过免疫亲和法（磁性激活细胞分选（MACS））或荧光激活细胞分选（FACS）实现星形胶质细胞的分离。借助星形胶质细胞特异性启动子（如Aldh1l1）驱动的GFP等荧光报告基因，荧光激活细胞分选（FACS）技术可从转基因小鼠中高效分离目标细胞。尽管FACS相较于免疫亲和法可获得更高纯度的样本，但其面临关键局限：流式细胞术中的微流体压力会破坏星形胶质细胞复杂的形态结构，进而导致其关键结构组分及相关区室中的多种蛋白质丢失。

尽管MACS和FACS技术能够特异性分离星形胶质细胞，但无法反映这些细胞与其他细胞之间的相互作用所介导的关键生物学过程，而此类过程对星形胶质细胞的动态信号传导可能具有重要作用。

图1、传统星形胶质细胞蛋白组学工作流

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星形胶质细胞邻近标记技术

邻近生物素标记技术可将生物素共价连接至目标蛋白邻近的蛋白质，再通过质谱检测解析蛋白质间的相互作用，从而有效弥补上述分离技术在捕获细胞间互作信息方面的不足。在邻近依赖性生物素化蛋白质组学研究中，主要采用两类生物素化酶：生物素连接酶（包括BioID2、TurboID）和过氧化物酶（如HRP、APEX）。

BioID2是一种来源于Aquifex aeolicus的天然生物素连接酶，标记范围为10–20 nm，无毒性，仅需低浓度生物素即可实现高效标记。然而，其体外标记时间相对较长（16–24小时），这一动力学特性显著限制了对快速生物学事件的捕捉。TurboID是通过对BioID进行定向诱变而开发的一种催化效率更高的生物素连接酶。在离体细胞中，TurboID仅需10分钟标记即可达到BioID2约18小时标记的效果；然而在体内，两者的标记时间则大致相当。在将TurboID的快速标记能力应用于星形胶质细胞研究时，需注意两个问题。其一，尽管TurboID在动力学上具有优势，但这种优势可能因生物素标记过程通常需要数小时至数天而变得复杂。其二，TurboID的高ATP消耗及持续生物素化现象（即使在缺乏外源性生物素的情况下）会干扰细胞代谢、增加背景标记，并提高细胞毒性风险。

与依赖长时间酶促活化的生物素连接酶不同，过氧化物酶基邻近标记技术基于快速的氧化反应。其中，HRP在氧化性区室（如内质网、高尔基体和细胞表面）中活性显著，但在胞质溶胶的还原性环境中则完全失活。因此，HRP特别适用于细胞表面的蛋白质互作研究。为将过氧化物酶邻近标记技术拓展至细胞内环境，研究人员对植物抗坏血酸过氧化物酶进行了结构导向的工程改造，最终开发出APEX等一系列在胞质溶胶中仍能保持活性的衍生酶。总之，HRP更加适用于体外、离体及原位细胞外标记，而APEX变体则更适用于靶向细胞内应用。

目前，在星形胶质细胞中实现邻近依赖性生物素化标记主要采用两类基因编码策略：一是病毒载体介导的基因递送，二是转基因小鼠品系（如Rosa26-TurboID小鼠）。BioID2已成功应用于多种星形胶质细胞蛋白互作场景。在星形胶质细胞的细胞表面及细胞外标记研究中，TurboID因其高催化活性而被广泛应用。然而，该酶介导的生物素化反应需要毫摩尔浓度的ATP，而生理条件下脑组织细胞外ATP水平通常较低，仅处于低微摩尔范围，这一需求与供给之间的差距构成其应用的主要限制。

图2、星形胶质细胞中实现邻近依赖性生物素化标记主要策略

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星形胶质细胞蛋白质组学发现：新认知、新方向

通过对海马与纹状体星形胶质细胞的蛋白质组学比较分析，μ-晶状体蛋白（Crym）和胶质纤维酸性蛋白（GFAP）分别被鉴定为纹状体与海马中富集度最高的星形胶质细胞标志物。此外，利用Aldh1l1-CreERT2介导的星形胶质细胞胞质TurboID表达系统，对皮层、海马、纹状体、丘脑、脑干（脑桥及延髓）、小脑及脊髓等区域星形胶质细胞蛋白质的鉴定，结果揭示，星形胶质细胞拥有一套保守核心蛋白（如GFAP、GLT1、GJA1），同时具备区域特异性的蛋白组学特征。皮质和海马区的星形胶质细胞表达与神经递质代谢、钙信号传导及突触调节相关的蛋白质水平较高，而小脑星形胶质细胞则富含代谢酶和钠离子转运蛋白。这一差异表达谱揭示了星形胶质细胞并非分子表型均一的群体，而是呈现鲜明的脑区特异性分化；其分子构成与功能特性均趋向于适应所支持的不同神经网络微环境。

图3 星形胶质细胞相关的蛋白质组学研究总结

星形胶质细胞内部含有多个功能各异的细胞器，包括线粒体、内质网、细胞核、高尔基体、胞质，且每个细胞器均拥有其特有的亚蛋白质组。采用基于BioID2的邻近标记技术，对纹状体星形胶质细胞与神经元的胞质及质膜蛋白进行了选择性生物素标记。蛋白质组学比较分析显示，两类细胞在胞质和质膜区的蛋白表达谱仅存在小范围重叠，而绝大部分蛋白呈现显著的细胞类型特异性分布。富含星形胶质细胞特征的蛋白质组主要涉及脂质代谢、肌动蛋白丝结构形成及细胞间信号传导通路；而神经元蛋白质组则以受体信号传导、离子结合及突触功能相关蛋白为主。

研究还运用BioID2技术对星形胶质细胞亚区室进行分区标记，涵盖终足（AQP4-BioID2）、细突起（EZR-BioID2）、谷氨酸摄取位点（GLT1-BioID2）、钾离子稳态位点（Kir4.1-BioID2）、细胞间接触位点（CX43-BioID2）及质膜（LCK-BioID2）等不同功能域。

图4、星形胶质细胞亚蛋白组学分析

总结

本综述系统评估了蛋白质组学在星形胶质细胞研究中的利弊，并聚焦邻近标记技术揭示星形胶质细胞生物功能的最新成果。

参考文献

https://doi.org/10.1038/s41583-026-01054-0

文章中图片均来自于原文

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