熒光蛋白的起源-GFP綠色熒光蛋白的廣泛應用發(fā)展史

       綠色熒光蛋白(簡稱GFP)，是一個由約238個氨基酸組成的蛋白質，從藍光到紫外線都能使其激發(fā)，發(fā)出綠色熒光。GFP的熒光非常穩(wěn)定，在激發(fā)光照射下，其抗光漂白能力比熒光素強很多。因此GFP及其變種被廣泛地用作分子標記；此外，GFP還被用作砷和一些重金屬的傳感器。
 

       1962年，下村脩和約翰遜在一篇純化水母素的文章提到從水母中發(fā)現(xiàn)了熒光蛋白（GFP），正式開啟了生物發(fā)光研究的大門。2008年10月8日，日本科學家下村修、美國科學家馬丁·查爾菲和錢永健因為發(fā)現(xiàn)和改造綠色熒光蛋白而獲得了當年的諾貝爾化學獎。而螢光蛋白的故事要從53年前講起。

      1955年Davenport和Nicol發(fā)現(xiàn)水母可以發(fā)綠光，但不知其因，未深入研究，錯過了一次獲得諾獎的機會。

      1956年，下村修從海螢體內提取出一種蛋白質，發(fā)光亮度比海螢本身強3.7萬倍。因為這項發(fā)現(xiàn)，下村修不僅被名古屋大學破例授予博士學位，晉升助理教授，還引起美國普林斯頓大學學者弗蘭克・約翰遜的強烈興趣，1960年，在約翰遜的邀請下，下村修前往美國。

      1962年，下村修和約翰森在那篇純化水母素的文章中，有個注腳，說還發(fā)現(xiàn)了另一種蛋白，它在陽光下呈綠色、鎢絲下呈黃色、紫外光下發(fā)強烈綠色。其后他們仔細研究了其發(fā)光特性，從十萬只小水母中純化出5毫克發(fā)光蛋白。同時被分離出來的還有另一種“綠蛋白”，在紫外光的照耀下會發(fā)出綠色熒光。下村修和約翰遜發(fā)表論文，宣告發(fā)現(xiàn)“綠色發(fā)光蛋白”，這個蛋白就是后來大名鼎鼎的綠色熒光蛋白GFP。

       1969年，哈佛大學的伍迪·哈斯廷和詹姆斯·莫林在研究腔腸動物發(fā)光蛋白質特性時再次“發(fā)現(xiàn)”了多管水母“綠色蛋白質”，并將其命名為“Green Fluorescent Protein”，即綠色熒光蛋白，簡稱GFP。
       1979年，下村修闡明綠色熒光蛋白發(fā)光部分的化學構造。但他當時認為這項發(fā)現(xiàn)沒有多大實際應用價值。
       1992年，格拉斯·普拉舍成功地從多管水母的DNA中分離出了GFP基因，并對其進行了復制與測序，為GFP在異源生物體中的表達奠定了重要的基礎。但普拉舍未能獲得后續(xù)的研究經費支持，遺憾地離開了科研領域，但他在離開科研領域前將GFP質粒贈予了馬丁·查爾菲和錢永健。
       1993年，錢永健開始采用隨機誘變的方式來改組GFP基因，進而篩選出激發(fā)峰和熒光強度等都得到優(yōu)化的GFP衍生物。錢永健團隊先后改造出增強型綠色熒光蛋白，以及青色、黃色、紅色等熒光蛋白。
       1994年，Science雜志以封面文章形式刊登了馬丁·查爾菲 的論文，成功的在線蟲體內表達了GFP，這篇不足兩頁的論文標志著科學家們打開了用GFP對活細胞進行示蹤研究的大門。
        在此之后，綠色熒光蛋白又被用到了病毒、酵母、植物、小鼠以及人類等各種生物身上——它們前所未有地在生活的狀態(tài)下被涂上了顏色。綠色熒光蛋白“照亮了生物學研究的未來”，也擴展了我們的視野。
       熒光蛋白帶來的最典型、也最絢爛的研究莫過于腦虹（Braibow）。2007年，Joshua R. Sanes 和Jeff W. Lichtman主持的一項研究將紅黃藍三種顏色的熒光色素嵌入老鼠基因組，成功為老鼠的不同細胞涂上不同顏色。三種顏色相互組合，最終展現(xiàn)在顯微鏡下的老鼠腦干組織切片上有近百種顏色標記，如同一道絢爛的彩虹。

 

果蠅的腦虹：somewhere over the brainbow~
 

       這讓我們清楚看到了大腦內不同細胞交織在一起的絕妙畫面，也帶來了更深一層的問題——這些細胞之間，是怎么互相作用的呢？
       在單個神經元細胞中，信息以電信號的形式傳播。隨著信號傳導，細胞膜內外電位逆轉，隨之而來的還有大量鈣離子內流。傳統(tǒng)方法是用電極測量神經細胞上的電位變化，但這種方法缺陷十分明顯，畢竟需要的器材多、能夠觀察的范圍有限。有了熒光蛋白，科學家找到了解決的方法。在熒光蛋白上連接能夠感應電壓或者鈣離子濃度變化的熒光蛋白，那么在神經元參加大腦活動的時候，它就會發(fā)出耀眼的閃光。
 

使用鈣指示劑，斑馬魚的大腦活動如超新星爆發(fā)
 

       近期的一項研究中，研究人員利用鈣離子指示劑GCaMP6F熒光蛋白記錄1-2周齡的斑馬魚大腦背側皮層神經元活動，為斑馬魚開發(fā)了基于熒光的無創(chuàng)多導睡眠描記術，并使用無偏的全腦活動記錄，在不切開動物或植入電極的情況下觀察其大腦和身體內部的其他活動。    
       從發(fā)育生物學、細胞生物學到神經生物學、腫瘤病理學、心腦血管等研究歷程中，熒光蛋白都發(fā)揮著極其重要的作用。熒光蛋白是當代科學和醫(yī)學領域最重要的工具之一，它們從顯微水平上照亮了生命！

  

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