生物光的真谛：绿色荧光蛋白——2008年诺贝尔化学奖

生物光的真谛：绿色荧光蛋白——2008年诺贝尔化学奖 生物光的真谛:绿色荧光蛋白——2008年诺 贝尔化学奖 ModescieCe 今日视点 …一黛譬一……………………… 荧光蛋白发出的生物光,照 亮了生命体的活细胞,使科学家 获得21世纪的"神眼".三位美国 科学家下村修,马丁?沙尔菲和钱 永健发现并发展了绿色荧光蛋白 而获得了2008年诺贝尔化学奖. 下村修1928年出生于日本东 京都府,1960年获得名古屋大学有 机化学博士学位后赴美,先后在普 林斯顿大学,波士顿大学和伍兹霍 尔海洋生物实验室(MBL)工作.现 为MBL和波士顿大学医学院名誉教 授.他最先发现了荧光蛋白,成为生 物发光研究的第一人,从而获得了 2008年化学奖. 沙尔菲1947出生于美国芝加 哥,1977年获得哈佛大学神经生物 学博士学位,1982年任美国哥伦比 亚大学生物学教授.他探明绿色荧 光蛋白发光的遗传标签作用,从而 师;母亲的几位兄弟都是麻省理工 学院的 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学教授;他的哥哥钱永 佑是神经生物学家,曾任斯坦福大 学生理系主任.永健和永佑分别获 得美国大学生竞争性最强的两个奖 学金RbodeS和Marshal1学者奖, 后到英国留学;90年代双双成为美 国科学院院士.钱永健现为 美国DH'J十l大学圣迭戈分校生 物化学及理学教授,是霍华 德休斯医学研究所的研究 员,为美国国家科学院及医 学院两院院士.他于2004年 荣获被称为诺贝尔奖前奏的 沃尔夫医学奖.他成功地利 用绿色荧光蛋白来追踪并查 实生命体内的生物化学反应 而荣膺2008年化学奖,成为 GFP工程领域的公认先驱. 下村修发现绿 l962年,下村修和助手约翰 森在从一种随北美西海岸洋流漂移 的维多利亚多管水母体内提取生物 发光蛋白一水母素时,意外地发现 一 种能在紫外光下发下发出强烈绿 色的蛋白,便名命为绿色蛋白 (GP).同年他们详细研究了这种 豢 ,1 苑一2 科,. 日,8? 一2 蛋白的发光特性,发现其在阳光下 呈绿色,钨丝下呈黄色,紫外光下 发出强烈绿色.于是,他们在美国 《细胞和比较生理学杂志》上报 道:分离纯化了水母中发光蛋白水 母素.l963年,下村修及其助手 探明水母素发光的原理:水母素在 钙的刺激下其能量可以转移到绿色 蛋白,从而刺激绿色蛋白发光.他 们在《科学》杂志报道了新的研究 成果:钙和水母素发光的关系. 1974年,丁村修纯化这种绿色 蛋白,并正式命名为绿色荧光蛋白 (GFP).他们研究发现:GFP在水母 中之所以能发光,是因为水母素和 6FP之问发生了能量转移;水母素 在钙的刺激下发光,其能量可转移 到GFP,刺激GFP发光.这是物理 化学中荧光共振能量转移(FRET) 在生物中的发现. 沙尔菲找到了孑P 的遗传标记 马丁?沙尔菲研究紧接着下 村修进行研究后指明:水母素和 GFP都可以发出生物光,在作为21 世纪生物跟踪显影技术中有重要的 应用.他的研究发现水母素乃是荧 光酶的一种,它需要荧光素才能发 光;而GFP蛋白质本身就可以发光, 而这就意味着,GFP可以很方便地被 植入生物体,作为一种标记物,跟踪 和制断生物细胞的变化找到了GFP 作为多种生物学现象的发光遗传标 记,从而确认了这种有无限应用价 值的生物光遗传基因. 沙尔菲采用分子生物技术以秀 丽隐杆线虫为实验模型进行研究发 现,GFP使这种线虫的6个单独细胞 呈现了颜色.1992年,沙尔菲分 离到水母发光蛋白的配对物GFP, 并发现作为辅助蛋白的GFP在水母 中的功能是将其所产生的蓝光转换 为绿光.这是因此它们之间进行能 量转换的缘故.原来体内含有一种 生物发光蛋白质aequorin,本身 发蓝光.GFP能把这种光转变成绿 光,也就是当水母容光焕发的时候 我们实际看到的颜色.GFP的纯溶 液在典型的室光下呈黄色,但是当 被拿到户外的阳光下时,它会发出 鲜绿的颜色.这种蛋白质从阳光中 吸收紫外光,然后以能量较低的绿 光形式发射出来. 他采用聚合酶链反应(PCR), 发现水母GFP是由238个氨基酸组 ModerFiSClenco 今日视点 成的单体蛋白质,分子量约 27kD,GFP荧光的产生主要归功于 分子内第65,,66,67位丝氨 酸,酪氨酸,甘氨酸形成生色团 的功效.翻译出的蛋白质折叠环化 之后,在02存在下,分子内第67 位甘氨酸的胺对第65位丝氨酸的羧 基的亲核攻击形成第5位碳原子咪 唑基,第66位酪氨酸的Q2B键 脱氢反应之后,导致芳香团完成. GFP晶体结构显示,蛋白质中央是 一 个桶状结构,长420nm,宽240 nm,由11个围绕中心.螺旋的反 平行B折叠组成,荧光基团的形成 就是从这个螺旋开始的,桶的顶部 由3个短的垂直片段覆盖,底部由 一 个短的垂直覆盖,对荧光活性很 重要的生色团则位于大空腔内.实 验表明GFP荧光产生的前提是桶状 结构完整性,去除N端6个氨基酸 或C端9个氨基酸,GFP均会失去 荧光.这是由于生色团形成的效率 较低,而且形成过程受外界环境影 响较大的缘故. GFP是一种现成的荧光蛋白 质,因此它特别容易使用.大多 数可以处理光的蛋白质都利用外来 的分子吸收和释放光子.例如,我 们眼睛里的视紫红质利用维生素来 感光.这些"发光团"必须是专 门为了发光而生成的,并且被仔细 地插入到该蛋白质分子内,不同的 是,GFP控制光的部位是其自身的 , 部分,仅由氨基酸构建而成,该 部位含有一段三个氨基酸组成的特 殊序列:丝氨酸一酪氨酸一甘氨酸. 当蛋白质链折叠时,这段短片就被 深埋在蛋白质内部,然后发生一系 列化学反应:甘氨酸与丝氨酸之间 形成化学键,生成一个新的闭合 环,随后这个环会自动脱水.最 终,经过大约一个小时的反应,周 围环境中的氧气攻击酪氨酸的一个 化学键,形成一个新的双键并合成 荧光发色团.由于GFP可以形成自 己的发色团,它非常适合于基因工 誊 Moderflscleflce 今日视点 程,根本不必担心操作任何奇怪的 发色团,只需要利用遗传学的方法 操纵细胞合成GFP蛋白质,GFP就 会自动折叠并开始发光. GFP遗传标记的发现在科学研 究上有着惊人的用途,因为它能够 使我们直接看到细胞内部生命分子 的运动情况.它使我们在任何指定 的时问都可以轻易地找出GFP在哪 儿只需要用紫外光去照射,这时所 有的GFP都将发出鲜艳的绿色.你可 以把GFP连接到一种病毒上.然后, 随着病毒在宿主体内不断扩散,就 可通过跟踪发出的绿光来观察病毒 的扩散途径;或者你把它接合到一 种蛋白质上并通过显微镜观察它在 细胞内部的移动. 钱永健探明P发 出荧光的机制,发明多 色荧光探针技术,创建 P工程 1994年,钱永健探索GFP的结 构,从而找~IJGFP发光基因.在蛋白 质编号lema中可以看到GFP发色团 的骨架在左边.蛋白质链形成一个 桶状(蓝色),子链的一部分直接从 中间穿过(绿色),发色团刚好在桶 样结构中间,它被保护起来以免受 周围环境的影响.这种保护对于发 射荧光的必需的.一旦发色团吸收 一 个光子,激活的水分子通常就会 夺取它的能量.但是在蛋白质内部 改为发射能量稍低的光子来释放能 量,使它得到了保护.发色团由蛋白 质链上的三个氨基酸甘氨酸,酪氨 酸和苏氨酸(或丝氨酸)自发形成. 1995年,钱永健的研究取得重 大突破一发明了多色荧光探针技 术.他采用核苷酸的定点诱变技术, 完成了GFP的单点突变($65T).这 个突变显着提高了GFP的光谱性质, 荧光强度和光稳定性也大大增强. 他还用点突变改变了GFP的折叠能 力,从而产生了增强型GFP即EGFP. 其他的突变还包 括颜色突变,这其中 大部分也是钱永健的 功劳.他先后发现了 蓝色荧光蛋白 (EBFP),青色荧光蛋 白(ECFP)和黄色荧光 蛋(YFP). 荧光蛋白广泛用 于生学研究.通过 常规的基因操纵手 段,将荧光蛋白用 来标记其他目标蛋 白,这样可以观 察,跟踪目标蛋白 的时间,空问变 化,提供了以前不 能达到的时问和空 间分辨率,而且可 以在活细胞,甚至 活体动物中观察到 一 些分子.荧光蛋 白技术还使得人们 可以研究某些分子 的活性. 钱永健发现 GFP在研究活细胞方 面具有惊人的作 用,成为GFP学科 的创建者.在他的 发现指引下科学家 正在改进GFP分子以使其发出不同 颜色的荧光.科学家目前可以制造 蓝色荧光蛋白,黄色荧光蛋白和大 量其他颜色的荧光蛋白质.方法是 使发色团产生能改变其稳定性的小 的变异,科学家还利用GFP来发明 生理传感器:一种感应离子或酸碱 度水平,然后通过发出特征性的荧 光来报告结果的分子机器. 在钱永健发明的指引下,荧光 蛋白在探索生命奥秘领域已有非常 广泛的应用,GFP可应用于转染细胞 的确定,体内基因表达的测定,蛋白 质分子的定位和细胞问分子交流的 动态监测,免疫 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ,核酸碱基探针 分析,以及分子问第二信使钙 和cAMP水平的指示,细胞间隙 化的检测.另外,GFP也可以 他蛋白质形成融合蛋白,作为 治疗检测指标. 钱永健是GFP工程的创亲 GFP的用途已经扩展到艺术和 领域,艺术家通过把GFP插入 细胞内创造出一个只荧光的绿 子.育种工作者正在探索利用 来创造特殊的荧光植物和各 类,GFP已经被移植到大鼠 鼠,青蛙,有翅昆虫,蠕虫 不计其数的其他生物体内. 苑 科,.