绿色荧光蛋白的发现与发展

编者按：2008年诺贝尔自然科学奖颁布后，相关的介绍与报道铺天盖地。其中一条新闻很有意思，在诺贝尔化学奖得主下村修的出生地日本，养殖在一家水族馆里的一种多管水母也一夜成名，吸引了无数人前来参观，因为下村修正是从这种水母身上发现了后来让他获奖的绿色荧光蛋白。其实下村修本人的经历，也如同这种水母一样：作为绿色荧光蛋白的发现者，、几十年来一直默默无闻，甚至他本人当初都没有预见到该项发现的价值。如果不是后来几位有技术、工程背景的研究人员在基础研究和实际应用之间架起桥梁，这项发现恐怕还淹没在论文堆中。与PCR(聚合酶链反应)技术一样，又一项与生物和生命科学有重要相关的技术获得了诺贝尔化学奖，这给化学家们，尤其是从事基础研究的化学家们带来哪些启示呢?我刊约请中科院理化技术研究所吴世康研究员介绍绿色荧光蛋白及其发现过程。

　　2008年的诺贝尔化学奖授予了从事有关“绿色荧光蛋白质的发现，表达和发展”并取得重要成就的三位科学家：下村修、马丁·查尔菲和钱永健。

　　

　　绿色荧光蛋白及其发光机理

　　

　　绿色荧光蛋白(GreenFluorescent Protein，简称GFP)是一种在美国西北海岸所盛产的水母中所发现的一种蛋白质。这类学名为Aequorea victoria的水母有着美丽的外表，生存历史超过1.6亿年。1962年，下村修正是在这种水母的发光器官内发现天然绿色荧光蛋白。它之所以能够发光，是因在其包含238个氨基酸的序列中，第65至67个氨基酸(丝氨酸—酪氨酸—甘氨酸)残基，可自发地形成一种荧光发色团。

　　当蛋白质链折叠时，这段被深埋在蛋白质内部的氨基酸片段，得以“亲密接触”，导致经环化形成咪唑酮，并发生脱水反应。但此时还不能发射荧光，只有当有分子氧存在的条件下，发生氧化脱氢，方能导致绿色荧光蛋白发色团的“成熟”，形成可发射荧光的形式。上述绿色荧光蛋白发色团的形成过程，系由几位科学家分别研究完成的。

　　绿色荧光蛋白不仅无毒，而且不需要借助其他辅酶，自身就能发光，可以让科学家在分子水平上研究活细胞的动态过程。当绿色荧光蛋白的基因和我们感兴趣的有机体内所拟研究的蛋白质基因相融合时，蛋白质既能保持其原有的活性，绿色荧光蛋白的发光能力也不受影响。通过显微镜观察这种发光的“标签”，科学家就能做到对蛋白质的位置、运动、活性以及相互作用等一目了然。在一个活体中有数万种不同的蛋白质，这些蛋白质精细地控制着重要的化学进程。如果蛋白机制发生故障，通常就会t发生疾病。绿色荧光蛋白可帮助研究这类机制，这就是为什么绿色荧光蛋白成为生物科学极其重要的工具。在它的帮助下，科学家还能对各种细胞的命运了如指掌，比如，脑神经细胞是如何发育起来的，或者癌症细胞是如何扩散的……

　　今天，已经有了许多新的不同的绿色荧光蛋白变体，这就进一步完善了绿色荧光蛋白作为基因标志在生物研究中的广泛应用。

　　

　　下村修与绿色荧光蛋白的发现

　　

　　Aequorea victoria水母是一种生物发光体。1960年，下村修为搞清它的生物发光机制，参加了普林斯顿大学弗兰克·约翰逊实验室的工作。Aequorea victoria生物发光的活性组分曾被认为是一种与钙离子相关联的蛋白质，被称为水母素(水母素现在仍是一种检测生物体内钙离子的方法之一)。但在此形式下，所发射的是蓝光。对此，下村修曾做了大量的工作来说明所发射的荧光究竟是绿光还是蓝光。研究人员分离了大量的蛋白质，都显示出强烈的绿光，于是他在1962年写道：“由蛋白质所得的溶液在日光下是稍稍发绿的，但在钨灯下则为黄色，在紫外光下则呈现出很亮的、绿色的荧光”。应当说，对这一问题的认识是在不断提高的。他们在无直接试验证据的情况下，提出了绿色荧光蛋白所发的绿光是因受钙激发而发光的水母素，其能量向绿色荧光蛋白发生了转移所致。按现代的科学术语来说，水母素是作为一种能量给体，而绿色荧光蛋白则成为能量受体。这一观点，后来得到了实验的证实。但应当指出的是两种色素是独立存在的，并无依赖关系。

　　虽然绿色荧光蛋白最初只是水母素研究中的一项偶然发现的“副产品”，但总的说来，下村修在发现绿色荧光蛋白的过程中作出了重要的贡献。如对其纯化和物理化学表征等方面，以及在不同条件下的激发光谱和发射光谱的测定等，绿色荧光蛋白与水母素两者间的能量转移，并解释了由绿色荧光蛋白发射的是绿光而不是蓝光。如果没有这些经典性开创工作，有关绿色荧光蛋白的出现和广泛应用将推迟几十年，甚至至今它仍作为一种秘密保留在太平洋中。

　　

　　查尔菲把绿色荧光蛋白用于有机体

　　

　　1985年，道格拉斯·普瑞舍克隆了水母素的基因。1992年，他又克隆出完整的由238个氨基酸编码的绿色荧光蛋白基因。可惜的是，普瑞舍没有进一步尝试把该基因引入其他生物体内，虽然他在1992年的有关克隆工作的总结中最后指出：“迄今尚无可用的发色团生物合成的有关信息，而这种蛋白质的重组方式可以成为一种有价值的试剂，使我们可在这类特殊的蛋白质内，来试验发色团生成的生物化学，以及在水母素和绿色荧光蛋白间的能量转移机制等”。将绿色荧光蛋白表达到其他有选择的有机体这项工作，具有重大的生物学意义。这就涉及马丁·查尔菲的工作了。

　　马丁·查尔菲所从事的研究是有关小线虫神经细胞的发展。当查尔菲第一次听说到绿色荧光蛋白时，他十分激动地从利用分子遗传学方法来研究线虫问题，转移到将绿色荧光蛋白与有机体中蛋白质基因相融合的工作，并先后在两种小线虫中得到表达，即绿色荧光蛋白在不同的有机体中显示出亮绿色的荧光，因此确认了绿色荧光蛋白可作为一种通用的基因标志，而应用于各种有机体中。接着，他还得到了绿色荧光蛋白在有机体内的不同部位和不同时间发展下的表达结果。1994年2月初查尔菲及其合作者把这些研究结果发表在《科学》杂志上，并引起轰动。

　　绿色荧光蛋白的荧光形式不仅可用以表达小线虫、果蝇等，对哺乳动物的细胞也适用，从而使定量研究活细胞的动态过程成为可能。查尔菲等人的工作向人们展示出，绿色荧光蛋白作为一种通用的基因标志，在生物研究中有着无限的潜力。

　　

　　钱永健的贡献

　　

　　钱永健和他的同事不仅加深了对绿色荧光蛋白发光机制的了解，比如分子氧的作用，由此可以解释为什么绿色荧光蛋白在有机体内可容易地发射荧光。更重要的是发现了一些新的具有不同光谱行为的绿色荧光蛋白变体，从紫外部分一直位移到蓝色。这些结果表明，绿色荧光蛋白在进行取代或进行化学转换上是十分活泼的，而这些改进了的绿色荧光蛋白，为其在生物科学中的成功应用铺设了一条康庄大道。

　　钱永健及其合作者，还解决了绿色荧光蛋白的晶体结构问题，从而允许能够较合理地对具不同性质的变体合成进行设计。这些新变体有的荧光更强，有的呈黄色，有的呈蓝色，有的呈红色，有的可激活、可变色。这意味着除绿色以外，还可以用其他颜色荧光蛋白标示不同的蛋白质和细胞。今天，绿色荧光蛋白及其变体作为基因标志，已实现了工具化，有了通用的“工具盒”，可应用于所有生命体系中的科学研究。

　　在此笔者还想谈一点感想。虽然这一获奖项目为化学奖，但是它所涉及的大量工作都和生物和生命科学相关，包括所研究对象，以及它的实际应用等。这说明现代科学的分类已不拘泥于以往的格局。这还使我联想到目前我们化学家对于物理和生物科学的生疏，以及物理学家见到苯环结构而害怕的情况。这些现状表明，我们的大学教育确是有进一步改革的必要。

　　

　　[责任编辑]　庞　云