一、什么是亚细胞定位
什么是亚细胞定位？首先我们来看什么是亚细胞。细胞是构成生物体的基本结构单位和功能单位，是生命的物质基础。细胞的结构复杂精巧且高度有序，亚细胞是比细胞结构更细化的结构，根据功能和空间分布的不同，细胞内部可以进一步划分为不同的细胞区域或细胞器，即亚细胞，其结构一般只有在电子显微镜(EMs)下才能看到。它们的特点是在细胞内，功能和空间相互隔离，又共同协调维持完整的细胞功能。在一定范围内，亚细胞结构等同于细胞器，不过像细胞膜虽然可以叫亚细胞结构，但不是细胞器。每种亚细胞结构中都存在一组特定的蛋白质，亚细胞结构为这些蛋白质行使功能提供了相对独立的生命活动场所。同时也只有在相同或相近的亚细胞位置上蛋白质间才会有相互作用。
亚细胞定位即指某种生物大分子物质或脂类在细胞内存在的具体位置。蛋白质在细胞质中经过翻译并合成，由蛋白质分选信号引导而被转运到特定的亚细胞结构中以参与细胞的各种生命活动，这一过程称为蛋白质亚细胞定位。蛋白质的功能、代谢以及相互作用等都与其亚细胞定位密切相关，成熟蛋白质必须在特定的亚细胞结构中才能发挥正确稳定的生物学功能，如果定位发生偏差，将对细胞功能甚至生命产生重大影响，因此对蛋白质亚细胞定位的研究具有重要意义。
图1 哺乳动物细胞的各细胞器（Davies K., 2020）。
二、亚细胞定位原理
利用GFP、RFP等荧光蛋白具有的独特荧光性质和灵敏性，来示踪细胞内的蛋白。将目标蛋白与荧光蛋白的N端或者C端融合，通过瞬转或稳转，使该融合蛋白在受体材料细胞内表达，目标蛋白会牵引荧光蛋白一起定位到目标细胞器，经过激光共聚焦显微镜激光照射，荧光蛋白会发出荧光，通过观察荧光蛋白在细胞内显示的位置，从而可以确定目标蛋白的亚细胞定位情况，即可对蛋白质进行精确定位。
三、亚细胞定位操作步骤
1、通过一些在线网站预测亚细胞定位
2、亚细胞定位载体构建
（1）引物设计：利用引物设计软件，根据pEGFP-MCS-N1或pEGFP-C1-MCS的酶切位点设计目的基因引物。
（2）载体构建：将PCR产物酶切后插入pEGFP-MCS-N1或pEGFP-C1-MCS，得到表达目的基因与EGFP融合蛋白质的真核表达载体。
3、细胞转染
当细胞生长到对数生长期时，接种到共聚焦显微镜专用的玻璃底培养皿（35mm petri dish，10 mm Microwell）中，培养过夜。当细胞贴壁率达到30%~50%时，将融合绿色荧光蛋白GFP的重组载体质粒和目标细胞器质粒共转染细胞。37℃孵箱培养24~72h。
4、激光扫描共聚焦显微镜观察
将上述细胞分别在24、36、48、72h的时间点，根据实验需求选择对应激发波长（常用405nm、488nm和561nm），使用共聚焦显微镜观察，采取图像。
图2 蛋白亚细胞定位的研究策略（Chaturvedi et al., 2014）。
四、蛋白质亚细胞定位的研究方法
1、融合报告基因定位法
将绿色荧光蛋白（GFP）及其衍生蛋白、β-葡萄糖苷酸酶（GUS）等报告基因，与目标蛋白基因融合在一起，由目标蛋白的引导信号进行亚细胞定位，对报告蛋白的光信号进行跟踪和观察，从而确定目标蛋白的定位。该方法是目前使用最广泛的蛋白质亚细胞定位研究方法。
2、免疫荧光标记定位法
将免疫反应与化学光学信号相结合，通过特异性的荧光标记抗体与目标蛋白（抗原）结合，通过荧光信号检测，确定目标蛋白的亚细胞位置。目前抗体标记信号不局限于荧光素，还有同位素、酶、胶体金颗粒、纳米金属颗粒等。
3、亚细胞结构分离定位法
通过超速离心等技术分离各亚细胞结构，然后从分离物种进一步提取蛋白质，对目标蛋白质进行分析或检测，从而获得目标蛋白的定位。本方法适合研究某蛋白质组级别的细胞器定位，通常与双向凝胶电泳分离和质谱技术相结合。
4、生物信息学预测
通过生物信息学手段，借助一些在线工具对蛋白的亚细胞定位信息进行预测，这种方法可以在短时间获得大量蛋白的预测信息，不仅辅助于实验，还能省时省力节约成本。这里推荐一些在线预测亚细胞定位的网站：
（1）http://www.csbio.sjtu.edu.cn/bioinf/Hum-mPLoc3/
（2）http://www.csbio.sjtu.edu.cn/bioinf/euk-multi-2/
（3）https://abi-services.informatik.uni-tuebingen.de/yloc/webloc.cgi
（4）https://abi-services.informatik.uni-tuebingen.de/multiloc2/webloc.cgi
（5）https://wolfpsort.hgc.jp/
五、亚细胞定位的常见问题
1、构建亚细胞定位载体时，GFP融合位置为什么有N端、C端之分？
若序列中存在信号肽，则构建载体时需避开这一端来融合荧光蛋白。需注意不同的融合方式可能会得到不同的定位结果，例如融合在荧光蛋白N端的目标蛋白一般无法得到过氧化物酶体的定位结果；融合在荧光蛋白C端的目标蛋白一般无法得到线粒体、质体的定位结果。
2、为什么不同的受体材料有时得到的定位结果不一样？
不同物种的细胞在翻译表达基因时，其表达模式和影响因子不同。受物种差异的影响，同一个载体在不同的受体材料中表达的位置可能不同，因此建议实验时尽可能选用与目的基因来源相近的受体材料进行表达。
3、为什么要提供GFP空载的对照图片？
（1）作为整个实验过程中的操作参照，可排除因实验操作而导致目的基因没有荧光信号的影响。
（2）作为载体体系的参照，确认构建载体时所使用的载体是可正常表达荧光蛋白的。
4、拍摄时为什么有明场通道？
（1）显示细胞状态，有活力的细胞应该有正确且明显的细胞形态，变形或破碎的细胞说明此时细胞不是最适状态或细胞已死亡。
（2）显示荧光确实是细胞内蛋白表达的，而不是细胞碎片及杂质产生的杂光。
5、为什么不先对基因做预测，在预测的结果上直接做共定位？
不同的预测网站有不同的计算方法，同一个基因在不同的预测网站也可能得出不同的定位结果。另外所有的结果都应是基于实验得到的，对于不清楚可能定位在哪里的基因，一般推荐先做普通定位，根据普通定位的结果再决定做哪种细胞器的共定位。
6、适用于什么实验场景？
（1）基因功能研究，文章里总少不了这一项。
（2）研究蛋白相互作用，与酵母双杂实验结果相互验证。
图3 我司亚细胞定位部分案例展示
参考文献
Chaturvedi Nagendra K, Mir Riyaz A, Band Vimla, et al. Experimental validation of predicted subcellular localizations of human proteins.[J]. BMC research notes, 2014,7(1).
Davies Kate,Meimaridou Eirini. Biological basis of child health 1: understanding the cell and genetics.[J]. Nursing children and young people, 2020,32(3).
