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本文由Conner A. Hoelzel和Xin Zhang撰写，两位作者均来自美国宾夕法尼亚州立大学化学系。文章于2020年7月16日发表在期刊ChemBioChem上，题目为“Visualizing and Manipulating Biological Processes Using HaloTag and SNAP-tag Technologies”。本文综述了近年来在自标记蛋白标签（self-labelling protein tags）领域的最新进展，特别是HaloTag和SNAP-tag技术的应用，重点介绍了小分子探针的开发及其在荧光显微镜和生物过程操控中的应用。
自标记蛋白标签是一类小分子自杀蛋白，能够与带有生物正交连接子（bio-orthogonal linker）的小分子探针共价结合。这种技术使得研究人员能够通过荧光标记或化学操控来研究目标蛋白（protein of interest, POI）的功能和动态行为。自标记蛋白标签的核心优势在于其选择性、快速标记动力学以及低底物混杂性。近年来，HaloTag和SNAP-tag技术因其广泛的商业可用性和多功能性，成为化学生物学研究中的重要工具。
HaloTag和SNAP-tag是两种最常用的自标记蛋白标签。HaloTag来源于细菌的卤代烷脱卤酶（haloalkane dehalogenase），通过突变其活性位点，使其能够不可逆地捕获共价酯中间体。HaloTag具有快速的标记动力学（2.7×10^6 M^-1 s^-1）和高稳定性（ΔG_folding = -5.6 kcal/mol），适用于蛋白纯化和溶解度增强。SNAP-tag则来源于人类的O6-烷基鸟嘌呤-DNA烷基转移酶（O6-alkylguanine-DNA alkyltransferase），通过定向进化和随机突变，提高了其标记动力学和特异性。SNAP-tag的标记速度较慢（2.8×10^4 M^-1 s^-1），但其较小的分子量（19.4 kDa）减少了对POI的干扰。
自标记蛋白标签的一个重要应用是实时监测蛋白的动态行为。与传统的固定细胞显微镜技术相比，自标记蛋白标签能够在活细胞中进行正交蛋白标记。本文详细介绍了三种类型的荧光探针：“常亮”探针（always-on probes）、荧光生成探针（fluorogenic probes）和环境敏感探针（environment-sensitive probes）。常亮探针如香豆素（coumarin）、荧光素（fluorescein）和罗丹明（rhodamine）衍生物，能够持续发出荧光，适用于标准荧光显微镜和超分辨率显微镜。荧光生成探针则通过化学反应激活荧光，无需洗涤步骤，特别适用于时间依赖性实验。环境敏感探针则利用荧光团对局部环境的极性或粘度的敏感性，能够在蛋白构象变化时发出荧光。
无洗涤标记策略是自标记蛋白标签技术的一个重要发展方向。本文介绍了三种无洗涤标记策略：淬灭剂释放（quencher release）、罗丹明的内酯环打开（lactone opening of rhodamine-based fluorophores）和环境敏感探针的嵌入（embedding of environmentally-sensitive fluorophores）。淬灭剂释放策略通过FRET或PET机制，在探针与标签结合时释放淬灭剂，从而激活荧光。罗丹明的内酯环打开策略则利用罗丹明染料在水溶液中主要以非荧光的内酯形式存在，而在与标签结合时转变为荧光形式。环境敏感探针策略则是将探针嵌入标签的结合隧道中，利用探针对局部环境的敏感性来激活荧光。
除了荧光成像，自标记蛋白标签还可以用于操控蛋白系统。本文介绍了三种主要的操控策略：蛋白固定化（immobilization）、蛋白降解（proteasomal degradation）和光化学控制（optochemical control）。蛋白固定化策略通过将HaloTag或SNAP-tag融合蛋白共价固定在树脂上，用于蛋白纯化或蛋白-蛋白相互作用分析。蛋白降解策略则利用HaloProtacs技术，通过小分子识别基团招募E3连接酶，诱导目标蛋白的泛素化和降解。光化学控制策略则通过光敏保护基团，实现对蛋白系统的时空控制。
本文最后展望了自标记蛋白标签技术的未来发展方向。作者认为，未来的研究应致力于开发更小的蛋白标签、更快的标记动力学以及更多样化的生物正交化学反应。此外，自标记蛋白标签技术还将在更广泛的生物学领域中得到应用，如膜生物学、细胞器生物学以及免疫学和肿瘤学。
本文全面综述了HaloTag和SNAP-tag技术在化学生物学中的应用，详细介绍了小分子探针的开发及其在荧光成像和蛋白操控中的应用。通过总结最新的技术进展，本文为研究人员提供了宝贵的参考，推动了自标记蛋白标签技术在生物学研究中的广泛应用。此外，本文还展望了未来的研究方向，为该领域的研究提供了新的思路和方向。