綠色熒光蛋白的發現與發展

朱　杰　吳　平

文章編號：1005－6629(2009)01－0049－04中圖分類號：G633.8文獻標識碼：B

生物發光是一個很普遍的生物學現象。早期的生物研究大多涉及分類、形成和生態方面，后來重點轉移到生態、生化的研究，目前已進入分子生物學的研究水平。從不同生物體內提取的熒光蛋白的結構、性質不盡相同。迄今，腔腸動物門多管水母屬的維多利亞多管水母（aequorea victoria）的發光蛋白系統研究得較為深入。

多管水母體內存在著兩種發光蛋白，即光蛋白——水母素（aequorin）和綠色熒光蛋白（GFP，green fluorescent protein）。光蛋白作為分子標記及Ca2+的生物學指示劑，已被成功地應用于哺乳動物、植物、酵母、大腸桿菌細胞，用于檢測很多重要的生理學和病理學反應。GFP作為良好的細胞、發育、分子生物學的活體標記，用于監測各種體系中的基因表達、蛋白定位以及多種細胞活動。利用GFP進行示蹤的研究范圍相當廣泛，從細胞生物學的基礎研究如細胞骨架和細胞分化、細胞器動力學和囊泡跟蹤，到一些熱門的前沿和學科和技術領域，如器官移植、基因治療、神經生物學等等。

日本科學家下村修（Osamu Shimomura）、美國科學家馬丁·沙爾菲（Martin Chalfie）和美籍華裔科學家錢永?。≧oger Y. Tsien）因在發現和研究綠色熒光蛋白方面做出貢獻而分享了2008年的諾貝爾化學獎。他們的工作不但在科學上對化學、生物學、醫學等領域具有重要的意義，而且也與人們的日常生活密切相關，對于提高人類的生活品質以及進一步改善人類的健康有十分重要的意義。

1研究GFP的時間線索

GFP從最初被發現到今天廣為應用，經歷了半個多世紀的時間。首先簡單回顧一下這半個多世紀內和GFP相關的主要事件。

1955年人們首次注意到水母體內的綠色熒光物質。

1962年下村修從維多利亞多管水母中提取并分離了GFP，證實了綠色熒光物質是一種蛋白質。它的溶液在日光下略呈綠色，在白熾燈下略顯黃色，而在紫外燈下則發出強烈的綠色熒光。

1969年之前稱為綠色蛋白質（green protein）得名“綠色熒光蛋白”。

1974年研究發現光蛋白和GFP兩種分子之間會發生能量轉移（圖2）。

1979年下村修找到了GFP中的生色基團（Chromophore）（圖3，圖5）。

1985年普臘石（Douglas Prasher）根據蛋白質的氨基酸順序拿到了光蛋白（水母素）的基因。

1992年普臘石拿到了GFP的基因。

1993年GFP中生色基團的結構被確認。

1994年沙爾菲通過大腸桿菌和線蟲研究獲得了GFP的生色機理；是年，第一種藍色熒光蛋白被報道，并提到了它可用于熒光共振能量轉移（FRET）實驗中。

1995年研制出了增強型綠色熒光蛋白（EGFP），它的轉錄速度比野生GFP快四倍。

1996年得到了野生GFP和EGFP的晶體結構，錢永健在EGFP的基礎上，利用突變技術，設計并研制出黃色熒光蛋白。

1997年光蛋白和GFP被用于Ca²⁺的敏感指示劑。

1999年后各種各樣的熒光蛋白被發明、改造并用于科學研究。

在研究GFP的50多年間，2008年諾貝爾化學獎的三位得主做出了至關重要的貢獻。

2下村修與維多利亞水母

在下村修以前就有人研究過生物發光現象，例如螢火蟲發出熒光，是由熒光酶（luciferase）作為酶催化氧化底物分子熒光素（luciferin）以后產生熒光。而蛋白質本身發光，無需底物，起源是下村修的研究。

1962年，下村修和約翰森等在《細胞和比較生理學雜志》上報道，他們分離純化了維多利亞多管水母中的發光蛋白—水母素。據說下村修用水母提取發光蛋白時，有天下班前，他將產物倒進水池里。臨出門前關燈，回望了一眼水池，見到水池閃閃發光。因為水池也排放有養魚缸的水，他懷疑是魚缸成分影響了光蛋白。然而不久之后，他便確定鈣離子能增強光蛋白發光。

1963年，他和另一位研究者約翰森在《科學》雜志報道鈣和光蛋白發光的關系。其后Ridgway和Ashley提出可以用光蛋白來檢測鈣濃度，創造了檢測鈣的新方法。鈣離子是生物體內的重要信號分子，光蛋白成為第一個有空間分辨能力的鈣檢測方法，是目前仍用的方法之一。

其實早在1955年，Davenport和Nicol就發現水母可以發出綠光，但不知其因。在1962年下村修和約翰森在那篇純化光蛋白的文章中，有個注腳，說還發現了另一種蛋白，它在日光下略呈綠色，在白熾燈下略顯黃色，而在紫外燈下則發出強烈的綠色熒光。其后他們仔細研究了其發光特性。1974年，通過純化他們得到了這種蛋白，當時稱之為綠色蛋白，即現在所謂的稱綠色熒光蛋白。Morin和Hastings提出光蛋白和GFP之間可以發生能量轉移。光蛋白在鈣刺激下會發光，其能量可轉移到GFP，刺激GFP發光（圖2）。

GFP是一種酸性球狀蛋白質，它的發射光譜在505 nm具有吸收峰；激發光譜則在395 nm和470 nm具有吸收高峰（圖4）。

只有完整的GFP分子才會產生生物熒光，但與熒光的產生直接有關的是GFP分子中一小段被稱為生色基團的部位。在GFP的初級氨基酸序列上，第65個至第67個氨基酸（Ser-Tyr-Gly）形成環狀六肽三體，以共價鍵與GFP蛋白肽鍵骨架相連（圖5）。生色基團形成的機理目前尚不清楚，但在有分子氧存在的條件下，酪氨酸氧化成脫氫酪氨酸，并環化形成六肽，這可能是形成色基的必然過程。下村修最先推導了水母GFP色基結構，后來又進行了進一步驗證與修改。

下村修本人對GFP的應用前景不感興趣，也沒有意識到應用的重要性。但他的研究卻切切實實地對之后的生物科學起到了革命性的作用。當他離開普林斯頓到Woods Hole海洋研究所后，他的同事普臘石（Douglas Prasher）對生物示蹤分子非常感興趣。1985年普臘石和日裔科學家Satoshi Inouye獨立根據蛋白質順序拿到了光蛋白的基因（準確地說是cDNA）。1992年，普臘石拿到了GFP的基因。有了cDNA，一般生物學研究者就能很好地應用它，比使用蛋白質更為方便。

1996年，GFP的晶體結構也被研究得到，它是一個由11個β－折疊的蛋白質以一個α－螺旋蛋白質為中心軸所形成的籠狀圓柱體，生色基團是α－螺旋蛋白質的重要組成部分，它的位置非常接近這個籠狀圓柱體的中心位置（圖6）。另一種平面的GFP表示方式如圖7，其中綠色的代表β－折疊，紅色的代表α－螺旋。

3沙爾菲將GFP應用于生物示蹤

將GFP表達到其他生物體這項工作，1994年由兩個實驗室獨立進行：美國哥倫比亞大學做線蟲的沙爾菲實驗室，和加州大學圣迭哥分校、Scripps海洋研究所的兩位日裔科學家Inouye和Tsuji。

沙爾菲在之前的工作中一直和Caenorhabditis elegans（一種被廣泛用于生物研究的線蟲）打交道。C. elegans這種線蟲只有959個細胞的一個腦，并且其三分之一的基因和人類基因有關。更重要的是，C. elegans是透明的，研究人員可以很方便的應用顯微鏡對其進行觀察研究。

1988年當沙爾菲得知GFP后，他意識到可以使用這一工具對C. elegans進行研究，它可以作為變化的綠色信號對線蟲不同細胞間的活動進行示蹤觀察。他將GFP基因與其他不同基因結合成可發出熒光的蛋白質的想法付諸于實踐后，就能觀察到細胞中不同蛋白質的形成。

沙爾菲使用DNA技術，將GFP的基因作為一個片段注射到成熟的線蟲的性腺細胞核中（圖7A），由于線蟲是雌雄同體，它可以使自已受精。GFP基因就出現在它的卵中（圖7B），這些卵分裂后形成新的細胞核在紫外光照射下可發出熒光（圖7C和D），圖7E中顯示了兩個這樣的細胞核。

光蛋白和GFP都有重要的應用，但光蛋白是熒光酶的一種，它需要熒光素才能發光，而GFP蛋白質本身即能發光，在原理上有重大突破。在上世紀90年代，科學家一般認為熒光物質在細胞中是通過許多步驟得到，每一步都需要蛋白質來控制，并且此過程需要一些特殊的蛋白質（熒光素）來產生GFP中的生色基團。但沙爾菲用實驗證實了這個假設是錯誤的。沙爾菲的研究向人們展示了綠色熒光蛋白作為發光的示蹤分子的作用。

當時沙爾菲的論文引起了巨大轟動，很多生物學研究者紛紛將GFP引入自己的系統。在一個新系統表達GFP就能在《自然》、《科學》上發表文章，其實不過是跟風性質，沒有原創性。

將GFP用作示蹤分子，具有以下優點：①熒光穩定；②檢測方便；③無種屬特異性，也沒有細胞種類和位置的限制；④GFP對受體細胞基本無毒害；⑤由于其他生物本身不含有GFP，因此不會出現假陽性結果；⑥不需任何反應底物和輔助因子；⑦可制成永久標本；⑧靈敏度高。

盡管GFP作為報告基因或示蹤分子有許多優點，但野生GFP發出的熒光較弱。其次，熒光反應不是酶反應，不能通過添加某些物質來加強信號，且不易對熒光進行定量檢測。另一方面，GFP基因在植物細胞內的表現頻率并不高，甚至在某些植物細胞中并不表現。所以有更多的科學家對GFP進行了改進。

從1961年到1974年，下村修和約翰森的研究遙遙領先，而很少被人注意。在1974年以后，特別是八十年代后的后繼工作，很多研究生都能夠完成。其中例外的是錢永健所在實驗室所發現的變種出現新顏色，這一發現卻非顯而易見。

4錢永健改造并發展了GFP的應用

隨著生物信息學、定點突變，DNA－shuffling等一系列理論和技術的應用，綠色熒光蛋白的家族成員不斷擴大，出現熒光光譜、溫度敏感性等改變的多種變異型。具有不同光譜特性的GFP突變體的獲得拓寬了GFP的應用范圍，解決了許多單獨運用GFP不能解決的問題。GFP基因的改進目前主要通過以下幾個途徑得到突變體GFP：①更換GFP生色團氨基酸；②改變堿基組成；③除去GFP基因中隱蔽剪接位點；④插入植物內含子；⑤更換強啟動子等突變體GFP；⑥增加熒光強度和熱穩定性。

目前已有的具不同光譜的突變型有EBFP（增強型藍色熒光蛋白）、ECFP（增強型青色熒光蛋白）、EGFP（增強型綠色熒光蛋白）和EVFP（增強型黃色熒光蛋白），分別呈現藍、青、綠、黃四種顏色。至今所獲得突變型的最大發射波長為529nm，為黃綠色熒光。

錢永健是和下村修研究相關的一位重要科學家。從八十年代一開始，他的工作就非常引人矚目。同時他十分肯定下村修的工作，較早公開介紹下村修的發現。在他的研究工作中，有兩項重要工作都與下村修有一定聯系。

一項是研究鈣染料。1980年錢永健發明檢測Ca²⁺濃度的染料分子，1981年改進了將染料引入細胞的方法，以后發明了更多、更好的染料，被廣泛地應用。檢測鈣的方法有三種：選擇性電極、光蛋白、鈣染料。在錢永健研制的鈣染料沒有出現以前，具有空間檢測能力的只有光蛋白，但當時光蛋白需要注射到細胞內，應用不方便。錢永健的鈣染料可以通透到細胞里面去。

錢永健的第二項工作是研究GFP。1994年起，錢永健開始研究并改造GFP，并獲得了多項發現。世界上用的大多數是錢永健實驗室改造后的變種。改造后的GFP促進了生色基團的折疊，改善了其熒光特性，甚至可以得到紅色、黃綠色、藍色等多種顏色的熒光蛋白，有的可激活、可變色，大大拓寬了GFP研究的領域。他被公認為這方面的先驅。

錢永健對人們理解GFP及GFP族的化學熒光特性做出了重要的貢獻，他使不同的GFP產生的熒光顏色覆蓋了整個可見光譜，同時他改善了生色基團，增強了GFP的熒光效應，也使熒光的穩定性增強。他發展了GFP，使之成為極有效的研究動態生命過程的基因標記工具。

5結束語

科學上一個偶然的發現往往會引起巨大的科學革命，新工具的出現會使研究取得意想不到的新成果。當年下村修研究了GFP，但他并沒有意識到GFP重要的應用前景。沙爾菲恰恰在自己的實驗研究過程中采用了最新的GFP研究成果，并發展了GFP的應用領域。而當今世界上用的GFP大多數是錢永健實驗室改造后的變種。

獲得2008年諾貝爾化學獎的三位科學家在發現和研究GFP的過程中各有貢獻，而且可以看出他們的研究是一脈相承的。隨著分子生物學理論與技術的發展，對GFP研究的進一步深入，GFP在分子生物學領域的應用進一步加強。GFP工程，包括GFP蛋白工程和GFP基因工程，尤其GFP基因作為新型報告基因越來越受到關注。當然在應用GFP作為研究工具時，也遇到了一些問題。例如將GFP作為選擇標記基因成功構建多種表達外源基因的重組質粒時發現一些因素影響著GFP的檢測。此外，在細胞生物學的研究過程中發現新生GFP通過折疊和加工成為具有活性的形式過程十分緩慢。但隨著生物技術的發展，對GFP的基礎理論研究的進一步深入和新型突變體的不斷出現，有理由相信這些問題終將會得到解決，從而使GFP更好地為科學研究服務。

參考文獻：

[1]Baird G. S，Zachatias D. A，Tsien R. Y．Circular permutation and receptor insertion within green fluorescent proteins[J]．Proc Natl Acad Sci USA，1999(20)：11241~11246．

[2]Heim R，Cubitt A. B，Tsien R. Y．Improved green fluorescence[J]．Nature，1995(373)：663~664．

[3]王曉麗，邵衛星．綠色熒光蛋白研究進展[J]．動物醫學進展，2008，29(1)：56~59．

[4]http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2008/[EB/OL].2008-10-08．

[5]http://www.conncoll.edu/ccacad/zimmer/GFP-ww/GFP-1.htm[EB/OL].2008-10-10．