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(nèi)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(jīng)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(nèi)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(nèi)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(jīng)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(nèi)外電位逆轉，隨之而來的還有大量鈣離子內(nèi)流。傳統(tǒng)方法是用電極測量神經(jīng)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(jīng)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(jīng)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(nèi)部的其他活動。    
       從發(fā)育生物學、細胞生物學到神經(jīng)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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