就像年輪鐫刻下樹木經歷的風霜雨雪，黑膠唱片的溝壑封存住百年前的旋律，我們是否也能在細胞內部，留住那些稍縱即逝的生物信號，構建一段可回溯的分子記憶？

在高度動態的細胞環境中，諸如蛋白激酶活化等信號事件往往瞬息萬變，而正是這些短暫的分子變化，主導著細胞命運的關鍵轉折。盡管經典的生物傳感器（biosensors）可以實時監測細胞內的生命活動，但其受限于光學成像的視野范圍和穿透深度，難以同時覆蓋大規模細胞群體或對活體深層組織中生理過程進行全面記錄。因此，一個關鍵科學問題浮現：我們能否將這些動態的信號事件“寫入”細胞自身，讓其在經歷關鍵事件（如激酶活性變化）時自我標記，以供后續追溯與解析？

2025年7 月10日，德國馬克思普朗克醫學研究所 Kai Johnsson 課題組在 Nature Chemical Biology 雜志發表題為 Molecular recording of cellular protein kinase activity with chemical labeling 的研究論文， 報道了一種基于化學遺傳編碼的激酶活性記錄器——Kinprola，并展示了其在多種生物體系中的應用潛力。該系統能夠在可控時間窗口內，通過化學標記穩定記錄特定激酶的活性變化，為大規模表型篩選和活體深層組織中信號轉導功能研究開辟了新路徑。

Kinprola（kinase activity-dependentproteinlabeling）是一種依賴激酶活性驅動、可實現不可逆熒光標記的分子記錄系統。該系統基于團隊近期開發的split-HaloTag技術【1】，其核心設計思路是將特異性激酶底物肽與磷酸化識別結構域，分別融合至split-HaloTag的兩段結構中。當靶激酶被激活時，底物肽被磷酸化；磷酸化識別結構域隨即識別并結合該修飾區域，驅動蛋白構象變化，從而促使原本分離的HaloTag片段重新組裝，恢復其催化活性。重構后的HaloTag可與熒光底物發生共價結合，在分子層面穩定地“書寫”下激酶活性變化的“歷史痕跡”（見圖1）。

Kinprola具有高時間分辨率，其記錄窗口由HaloTag熒光底物的添加與洗脫精確定義，使研究者可根據實驗需求靈活設定刺激-記錄的時序策略。借助不同顏色的熒光底物，還可實現激酶活性在多個時間段、不同刺激條件下的多重記錄。通過更換特異性底物肽序列，Kinprola可擴展用于多種關鍵蛋白激酶（如PKA、PKC、JNK和AMPK等）的活性記錄，具備良好的通用性和模塊化潛力。區別于經典的實時成像方法，Kinprola通過分離“記錄”與“讀取”兩個過程，從而實現了對激酶活化事件的時間窗口式“封存”。標記 一旦形成 ，信號穩定持久， 適配 后續組織固定檢測、細胞分選及多組學分析。

作者首先展示了Kinprola在大規模細胞群體分析中的應用能力。在人膠質母細胞瘤網絡中，利用Kinprola記錄PKA活性后進行RNA-seq分析，揭示PKA信號與細胞周期調控間的潛在 關聯 ；在人結腸癌細胞系中，Kinprola與CRISPR全基因組敲除篩選聯合使用， 挖掘出 多種潛在的非經典調控因子對PKA 活性 的影響。此外，Kinprola突破了經典實時成像在視野范圍和組織深度上的 技術 限制。在原代神經元、急性腦片乃至活體小鼠伏隔核腦區 中， 研究團隊 成功實現了對PKA活性的穩定記錄。尤其在自由活動小鼠模型中， Kinprola能夠記錄 多巴胺受體激動劑誘導的PKA活化事件，為 探索 神經調控機制提供新型研究手段。

圖 1：Kinprola穩定記錄激酶活性變化用于大規模組學分析與神經系統研究

Kinprola為細胞信號的記錄與解析提供了全新視角。它不再依賴 對細胞的實時監測 ，而是讓 其 在經歷激酶活性變化時“自我標記”，從而賦予研究者“回到過去”的能力。這一策略有望在細胞信號轉導、疾病機制 研究 、藥物篩選和功能基因組學等 多個前沿領域發揮重要作用 ，為解碼時空復雜的激酶信號網絡提供強有力的工具平臺。

本文通訊作者 Kai Johnsson 教授 是 德國馬克思普朗克醫學研究所 化學生物學系主任， 長期致力于化學生物學領域的 工具開發與應用 ，尤其在生物分子標記、活細胞成像與分子探針開發方面做出了諸多開創性貢獻， 他所 開發的SNAP-tag，CLIP-tag及多種熒光染料 分子 已被廣泛應用于生命科學研究。第一作者及共同通訊作者 孫德恩 博士畢業于北京大學化學與分子工程學院，博士階段導師為陳興教授，現為馬克思普朗克醫學研究所博士后。該 項 工作得到北京大學李毓龍教授，以及德國癌癥研究中心的Michael Boutros、Frank Winkler和Wolfgang Wick教授團隊的 大力 支持與協作。

https://www.nature.com/articles/s41589-025-01949-6

制版人： 十一

參考文獻

[1] Huppertz, Magnus-Carsten, et al. Recording physiological history of cells with chemical labeling.Science, 383, 890-897 (2024).

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