荧光标记技术与显微成像的结合极大推动了生命科学研究的进展。绿色荧光蛋白（GFP）等标签已被广泛用于蛋白质成像，然而其“常亮”特性限制了在亚细胞尺度上对特定分子群体进行精确追踪。为了突破这一局限，研究人员开发出光激活荧光蛋白（如PA-GFP），可在特定光照下选择性“点亮”目标蛋白，从而实现对细胞内局部蛋白动态的高精度研究。相比之下，RNA作为生命活动中不可或缺的核心分子，参与转录调控、核输出和应激响应等关键过程，却长期缺乏具备时空精确性的光控成像工具，这一技术缺口严重制约了对RNA动态行为的深入探索。
近日，国际著名期刊JACS发表题为“Photoactivatable RNA Tags for Subcellular Photolabeling of RNA”的研究论文，报道了可光激活的荧光RNA标签——PA-Broccoli。这一创新工具实现了RNA在亚细胞水平的时空成像，实时标记RNA跨核膜和应激颗粒的精细过程，动态揭示了RNA跨膜机制，为深入研究RNA动态行为提供全新手段。
研究团队以广泛使用的荧光RNA系统 Broccoli:BI为基础，通过在荧光团BI上引入光笼基团，阻断了其与Broccoli适配体的结合，使得光笼BI探针未激活前几乎不发光，荧光量子产率低至0.00017。经紫外光照射后，光笼基团脱落形成BI，进而结合Broccoli，并迅速恢复荧光。实验结果表明，光激活后的PA-Broccoli可实现约6000倍的荧光信号增强，激活后量子产率高达到0.88，并表现出极快的激活动力学（半激活时间t？/？≈3秒），在灵敏度和激活速度上远超传统PA-GFP。
利用PA-Broccoli系统，研究团队探索了RNA在亚细胞内的多层次动力学特征，揭示了环形RNA（circRNA）和mRNA的跨膜转运机制。局部光激活实验显示，RNA在细胞质中的扩散速度明显低于蛋白质，反映出二者截然不同的运动机制。进一步研究发现，circRNA依赖Ran-GTP通路完成核输出，而线性mRNA则不依赖这一机制，且circRNA在细胞质中的积累速度显著慢于线性mRNA。此外，研究首次观察到PA-Broccoli标记的mRNA在应激颗粒与细胞质之间的动态交换过程，并发现该过程依赖ATP供能，提示能量代谢在调控RNA于应激颗粒中的聚集与解离中发挥关键作用。这些发现不仅加深了对RNA亚细胞动力学的理解，也为探究RNA调控与应激反应之间的关系提供了重要工具和理论基础。
此外，研究人员将“光笼”策略拓展至其他荧光RNA系统（如PA-RhoBAST），并通过优化光笼基团，实现了近红外激活的PA-Broccoli，进一步展示了方法的通用性和可扩展性，为未来多种RNA成像工具的开发提供了新思路。
总体而言，该研究开发出了一种高性能、可控激活的RNA成像工具，实现了在活细胞亚细胞水平对RNA的精准标记与动态监测。这不仅为深入解析RNA在转录调控、核质运输、应激响应等关键生物过程中的功能提供了全新手段，也拓展了光控成像技术的应用边界，为RNA生物学研究开辟了新的方向。
中国科学院动物研究所交叉科学中心李幸、张金阳以及中国科学院生物物理研究所徐平勇为论文的共同通讯作者，李幸团队陈振寅、蒋浩东为共同第一作者。该研究得到了国家重点研发、国家自然科学基金等项目资助。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.5c07380
图1 开发超高/快光激活荧光RNA标签PA-Broccoli动态追踪亚细胞 RNA
