光催化已成为一种利用光调控化学反应活性的强大策略，为时空调控提供了独特机遇。虽然可见光光催化最初是在小分子合成的背景下发展起来的，但近年来已迅速扩展到在生物相容性条件下选择性修饰肽和蛋白质。当光催化剂通过配体、抗体、纳米材料或基因融合实现局域化时，光化学反应活性被限制在特定的分子邻域内，从而催生出光催化邻近标记这一独特的化学方法，用于探测生物分子相互作用。本综述总结了截至2025年报道的光催化实现蛋白质修饰与邻近标记的进展。研究人员重点阐述了多种光化学机制——包括单电子转移（SET）、能量转移（EnT），以及短寿命活性中间体（如自由基、卡宾、氮烯和单线态氧（1O2））的生成——如何在不同实验体系中得到应用，涵盖从纯化蛋白、固相支持平台到活细胞、组织及体内系统。这些进展共同确立了光催化作为一种通用化学框架的地位，可用于合理设计具有可调空间分辨率的邻近标记工具，实现生物系统中的空间编码，并在复杂生物环境中解析蛋白质相互作用。
本综述系统性地阐述了光催化邻近标记技术的发展历程、化学机制及其在复杂生物体系中的应用。全文主体内容结构如下：
2 用于肽和蛋白质修饰的光催化剂
该章节首先指出光介导修饰具有高时空分辨率的显著优势。传统方法依赖紫外（UV）光激发芳基叠氮、二氮杂环丙烷和二苯甲酮等光反应基团，分别产生氮烯、卡宾和羰自由基，但这些方法存在内源性生物分子吸收UV导致损伤的问题。为解决此局限，研究者转向利用可见光和近红外（NIR）光，特别是通过光催化剂介导的反应来实现更温和条件下的修饰。根据催化机制，该部分主要分为单电子转移（SET）和能量转移（EnT）两大类进行论述。
2.1 电子转移机制的光催化剂
SET机制涉及光激发催化剂与标记试剂或肽/蛋白质本身之间的电子转移反应生成自由基中间体。在可见光激发下，催化剂作为强氧化剂或还原剂，在温和条件下生成自由基物种，特别适用于在细胞环境中向特定生物分子引入功能分子。主要靶标残基包括酪氨酸（Tyr）、色氨酸（Trp）、组氨酸（His）、甲硫氨酸（Met）和C端羧酸，实现了传统双电子生物偶联难以达到的位点选择性。但该机制面临半胱氨酸（Cys）和赖氨酸（Lys）等残基潜在脱靶反应的挑战，需谨慎选择催化剂。
2.1.1 钌（Ru）配合物
可见光响应的钌配合物（特别是Ru(bpy)3衍生物）因其稳定性、可见光吸收和可逆氧化还原特性，成为选择性肽和蛋白质修饰的稳健光氧化还原催化剂。早期研究利用Ru(bpy)3Cl2与过硫酸铵在可见光下驱动氧化催化循环，生成Ru(III)并从Tyr残基夺取电子形成酪氨酰自由基，实现二酪氨酸形成或与亲核侧链交联。后续研究进一步拓展了选择性控制：通过分子设计，实现了对Tyr的选择性标记；在特定空间排布下（如催化剂邻近游离Cys时），也可实现Cys标记；通过Ru-TAP配合物与肽的共轭，则实现了高选择性的Trp标记。此外，研究还发现Ru光催化剂可在SET与EnT通路间切换，具体路径取决于催化剂结构定位和反应条件，体现了其作为多功能平台的特性。
2.1.2 铱（Ir）配合物
Ir基催化剂在可见光照射下表现出优异的氧化还原能力和光稳定性。通过配体设计可精细调控其氧化还原电位和激发态寿命。代表性工作包括利用Ir[dF(CF3)ppy]2(dtbbpy)(PF6)实现色氨酸（Trp）残基β位的功能化修饰；通过Ir催化的SET机制实现对非经典氨基酸脱氢丙氨酸（Dha）和硒代半胱氨酸（Sec）的高选择性修饰。这些工作展示了Ir催化剂在拓展位点选择性修饰方面的潜力。
2.1.3 锡（Sn）配合物
为提升生物相容性和组织穿透深度，研究者开发了适用于红/近红外光照射的锡配合物。例如Buksh团队开发的μMap-Red方法，结合了Sn-叶绿素e6光催化剂与芳基叠氮标记探针。Sn(IV)-叶绿素e6在红光激发下被细胞内还原剂（如NADH）还原淬灭生成Sn(III)物种，其强还原性通过单电子还原激活邻近芳基叠氮生成氮自由基或类氮烯中间体，因扩散距离极短而实现高空间限制性标记。
2.1.4 黄素衍生物
作为无金属光催化剂，黄素衍生物（如核黄素、lumiflavin）具有良好的水溶性和生物相容性。其应用包括：实现肽或蛋白质C端羧酸的分子间修饰；实现甲硫氨酸（Met）的选择性生物偶联；通过lumiflavin-吩嗪体系实现Tyr选择性修饰；以及细胞内光催化邻近标记（iPPL）技术，利用acriflavin作为光催化剂，通过SET将电子转移给邻近的1-甲基-4-芳基尿唑（MAUra），生成短寿命自由基进行邻近依赖性偶联，其空间分辨率优于传统BioID或APEX方法。
2.1.5 卟啉支架基光催化剂
该类催化剂（如TTMAPP和nPr-DMQA+）可吸收长波长（>600 nm）近红外光。在近红外光激发下，它们通过SET与氟烷基前体（如碘代全氟烷基化合物）作用，生成高活性氟烷基自由基，优先加成到富电子芳香残基（特别是Trp）上，实现蛋白质侧链共价氟烷基化，适用于深层组织或肿瘤环境。
2.1.6 其他有机光催化剂
包括1,2,3,5-四(咔唑-9-基)-4,6-二氰基苯（4CzIPN）、三苯基吡喃鎓（TPT+）和醌基类催化剂（如QCAT）。4CzIPN利用热激活延迟荧光（TADF）特性实现高效SET反应，可实现C端羧酸的选择性脱羧炔基化。TPT+凭借其极高的氧化电位，实现了通常惰性的苯丙氨酸（Phe）残基的光氧化还原催化修饰。QCAT等醌类催化剂则实现了高选择性的Cys修饰。
2.2 能量转移机制的光催化剂
EnT机制的特征是激发能的转移而非直接的电子转移。光催化剂不直接作为氧化还原试剂，而是作为光敏剂将激发能转移给底物或分子氧。该过程主要通过两条途径进行：一是转移至分子氧生成活性氧（ROS），特别是单线态氧（1O2），其强亲电性、短寿命和有限扩散距离使其能选择性地与His、Tyr、Trp等残基反应；二是通过Dexter能量转移（DET）直接激活标记试剂前体（如二氮杂环丙烷或芳基叠氮），生成高活性卡宾或氮烯中间体。DET要求轨道重叠，因此作用距离极短（通常<1 nm），被μMap技术用于实现亚4 nm的超高精度邻近标记。
2.2.1 钌（Ru）配合物
除SET角色外，Ru(bpy)3配合物也是高效的1O2光敏剂。研究人员利用其通过三重态-三重态能量转移（TTET）将能量传递给三重态氧（3O2）生成1O2，进而氧化组氨酸（His）咪唑环，实现His选择性邻近标记。
2.2.2 铱（Ir）配合物
Ir配合物具有长寿命激发态，对EnT反应高度敏感。代表性应用是μMap技术，利用Ir催化剂通过DET机制激活二氮杂环丙烷探针生成卡宾中间体，其超短半衰期（皮秒级）确保了仅在约4 nm范围内进行高选择性标记，且不产生活性氧，对细胞环境扰动极小。
2.2.3 锇（Os）配合物
Os配合物拥有长寿命激发态和高三重态能量，适用于红光区邻近标记。研究显示，Os(II)配合物在红光激发下通过EnT激活芳基三氟甲基重氮化合物生成卡宾中间体，插入邻近氨基酸侧链的O-H、N-H、S-H键中实现标记。
2.2.4 黄素衍生物
近期研究发现deazaflavin可作为EnT机制的生物相容性光催化剂。其在光激发后通过系间窜越至三重激发态，并通过DET激活邻近标记试剂（如苯基叠氮衍生物），无需经历SET或生成ROS，实现了高生物相容性和高空间精度的活细胞邻近标记。
2.2.5 呫吨支架基光催化剂
卤代荧光素衍生物（如Eosin Y、二溴荧光素、玫瑰红）因重原子效应促进系间窜越，倾向于通过EnT途径生成1O2。应用包括：利用二溴荧光素-三苯基膦（TPP-AcDBF）实现线粒体His残基的氧化驱动邻近标记；利用Eosin Y偶联抗体开发MultiMap方法，通过激活不同类型的探针（二氮杂环丙烷、芳基叠氮、酚类）生成具有不同寿命的活性中间体，实现数纳米至数十纳米可调范围的邻近标记。
2.2.6 卟啉和二氢卟吩支架基光催化剂
此类支架能有效吸收长波长光（>600 nm）。应用实例包括：将四(羧基苯基)卟啉（TCPP）固定在二维纳米材料上，通过EnT生成1O2用于活细胞表面蛋白质组分析；将二氢卍啉e6（Ce6）偶联到纳米抗体上，利用深红光（650-700 nm）驱动CAT-Tissue方法，实现深层组织中肿瘤-免疫细胞相互作用的原位标记。
2.2.7 其他有机光催化剂
包括七甲川花菁染料IR780和碘代孔雀绿（malachite green）。IR780在700-800 nm近红外光下通过EnT生成1O2，用于线粒体蛋白质组的邻近标记。FLAPP方法则利用基因编码的氟原激活蛋白dL5与碘代孔雀绿结合，在近红外光下实现活细胞内的高定位性蛋白质标记。
2.2.8 基因编码的蛋白质基光催化剂
miniSOG是一种源自黄素蛋白的小型光敏蛋白，在蓝光照射下可生成1O2。将其与感兴趣蛋白质融合，发展出了光激活依赖性邻近标记（PDP）技术，用于精确调控蛋白质网络分析。更进一步，BRET-ID技术利用生物发光共振能量转移（BRET），由NanoLuc产生的生物发光激发光敏结构域生成1O2，实现了不依赖外部光照的邻近标记。
2.3 光催化蛋白质修饰中机制路径选择的决定因素
该部分分析了SET与EnT路径并非互斥，而是竞争或并行发生。决定因素包括：光催化剂性质（氧化还原电位和三重态能量）、氧气依赖性（EnT路径通常需要氧气，SET路径则不一定）、底物邻近性与空间限制（DET要求轨道重叠，从根本上限制了激活步骤的距离）、以及光强与波长（短波长利于SET，长波长常用于EnT）。
2.4 光催化邻近标记平台的机制比较
该部分通过表格对比了不同活性中间体（自由基、1O2、卡宾、氮烯、氨基自由基）的化学性质，并系统比较了酶促方法与光催化方法在标记半径、时间分辨率、活性中间体、激活触发方式和催化剂定位策略上的差异。光催化方法（尤其是DET类）在标记半径和时间分辨率上具有显著优势。同时，按目标氨基酸残基对修饰策略进行了归纳比较。
3 光催化邻近标记在生物复杂性层面的应用
本章阐述了第二章所述化学方法如何在日益复杂的生物系统中实施。
3.1 在纯化蛋白质上的应用
这是验证策略的基础阶段。研究证实了Ru(bpy)3基催化剂的邻近依赖性，优化了标记试剂（如MAUra），并将修饰范围扩展到C端、Met等残基。研究还发现，通过改变光催化剂的微环境（如嵌入蛋白质支架）可切换SET与EnT主导路径，从而控制优先修饰Tyr或His。μMap技术也被成功应用于纯化蛋白配体结合位点的鉴定。
3.2 珠子上的邻近标记
将光催化剂固定在磁珠或纳米颗粒等固体支架上，用于蛋白质组水平的靶标识别。研究展示了乳糖功能化的RuDcbpy磁珠能够捕获并富集内源性半乳糖凝集素，并利用邻近标记将弱结合的复合物共价标记，克服了传统亲和层析需要严格洗涤步骤的局限。纳米颗粒平台也被用于分析蛋白质冠和纳米塑料颗粒的相互作用组。
3.3 细胞上的邻近标记
聚焦于活细胞表面的标记。3.3.1节介绍了自由基介导的策略，如利用黄素光催化剂标记免疫突触。3.3.2节介绍了单线态氧介导的策略，如利用TCPP包覆细胞或LUX-MS平台进行表面蛋白质组学分析。3.3.3节重点介绍了μMap技术在免疫检查点（PD-L1）、癌基因受体（HER2）、病毒入侵因子（SARS-CoV-2刺突蛋白）以及糖基化依赖相互作用研究中的广泛应用，并介绍了其变体MultiMap如何实现多尺度标记。3.3.4节介绍了在分离细胞核中进行的染色质相互作用组图谱绘制（MesoMap）。3.3.5节详细讨论了标记半径的测量方法，指出μMap的有效标记半径很大程度上受限于抗体连接臂的物理长度，而卡宾本身的扩散距离仅为几纳米。3.3.6节介绍了利用深红光（650-700 nm）和近红外光克服组织穿透限制的红色光催化平台（如μMap-Red, CAT-Tissue）。
3.4 细胞内的邻近标记
这是从细胞外向细胞内的重大转变。3.4.1节介绍了“自由催化剂”策略，利用小分子光催化剂的固有跨膜性和细胞器靶向性（如阳离子Ir配合物靶向线粒体，IR780靶向线粒体，Hoechst偶联物靶向细胞核）实现无遗传操作的细胞器特异性标记。3.4.2节介绍了聚集体分析，利用光催化剂选择性结合并标记神经退行性疾病中的蛋白聚集体微环境。3.4.3节介绍了细胞器靶向配体导向的光催化邻近标记，通过化学连接子将光催化剂导向线粒体、细胞核、溶酶体和脂滴等特定细胞器。3.4.4节介绍了亲和力配体导向的策略，将光催化剂偶联到药物分子或小分子配体上，用于细胞内靶标识别和靶向蛋白降解（TPD）工作流程。3.4.5节介绍了标签蛋白介导的μMap，利用HaloTag或分裂内含肽实现光催化剂的基因编码招募，用于应激颗粒动态分析和转录因子相互作用组分析。3.4.6节介绍了基于HaloTag的金属自由光催化细胞内邻近标记方法，如使用acriflavine的iPPL和使用deazaflavin的DarT标记。3.4.7节介绍了完全基因编码的光催化邻近标记系统，如miniSOG、LOV*结构域以及杂交系统FLAPP和生物发光驱动的BRET-ID，实现了不依赖外部光照的细胞内标记。
3.5 离体邻近标记
应用于保留天然组织结构特征的原发性细胞制备物和冰冻切片。代表性技术包括PhoXCELL（记录树突状细胞与T细胞的抗原特异性相互作用）、CAT-Cell（标记与肿瘤细胞直接接触的T细胞）以及μMap-FFPE（适配福尔马林固定石蜡包埋组织的邻近标记）。
3.6 体内邻近标记
将邻近图谱绘制直接应用于活体动物。代表性工作包括PhoxID（在不进行基因改造的小鼠脑中通过配体导向和绿光照射绘制受体微环境）、SeeID（利用硅罗丹明和660 nm红光在小鼠皮层进行体内邻近标记）、以及利用多孔配位网络纳米颗粒和超声激活进行肿瘤抗原聚类放大以增强免疫治疗的策略。BRET-ID和生物发光激活的平台则避免了外部光照的需求。
3.7 生物系统中的性能考量
最后，该章节系统评估了不同平台在真实生物条件下的表现。3.7.1节讨论了信噪比与背景控制，强调了光门控激活的优势，以及针对暗态背景、光依赖背景和探针衍生背景的应对策略。3.7.2节讨论了生物系统的扰动，对比了SET、EnT（1O2）和DET机制可能带来的氧化还原失衡和光毒性风险。3.7.3节讨论了催化剂定位策略（抗体偶联、配体偶联、基因融合、自由分布）对标记精度的影响。3.7.4节给出了方法选择的实用建议，强调应根据具体的生物学问题、所需空间分辨率和耐受度进行选择。
4 结论与展望
光催化驱动蛋白质标记已从孤立的光触发反应性演示，发展为一种广泛适用的化学框架，用于在生物系统中编码空间信息。其核心在于将邻近性转化为共价化学记录。未来的发展将聚焦于红/近红外响应催化剂的设计、解决光毒性和递送挑战，并有望从静态相互作用图谱扩展到对蛋白质网络的时空扰动和功能调控，成为下一代化学生物学的核心组成部分。
