作者：朱 杰 吴 平
来源：《化学教学》2009年第01期
文章编号：1005－6629(2009)01－0049－04中图分类号：G633.8文献标识码：B
生物发光是一个很普遍的生物学现象。早期的生物研究大多涉及分类、形成和生态方面，后来重点转移到生态、生化的研究，目前已进入分子生物学的研究水平。从不同生物体内提取的荧光蛋白的结构、性质不尽相同。迄今，腔肠动物门多管水母属的维多利亚多管水母（aequorea victoria）的发光蛋白系统研究得较为深入。
多管水母体内存在着两种发光蛋白，即光蛋白——水母素（aequorin）和绿色荧光蛋白（GFP，green fluorescent protein）。光蛋白作为分子标记及Ca2+的生物学指示剂，已被成功地应用于哺乳动物、植物、酵母、大肠杆菌细胞，用于检测很多重要的生理学和病理学反应。GFP作为良好的细胞、发育、分子生物学的活体标记，用于监测各种体系中的基因表达、蛋白定位以及多种细胞活动。利用GFP进行示踪的研究范围相当广泛，从细胞生物学的基础研究如细胞骨架和细胞分化、细胞器动力学和囊泡跟踪，到一些热门的前沿和学科和技术领域，如器官移植、基因治疗、神经生物学等等。
日本科学家下村修（Osamu Shimomura）、美国科学家马丁·沙尔菲（Martin Chalfie）和美籍华裔科学家钱永健（Roger Y. Tsien）因在发现和研究绿色荧光蛋白方面做出贡献而分享了2008年的诺贝尔化学奖。他们的工作不但在科学上对化学、生物学、医学等领域具有重要的意义，而且也与人们的日常生活密切相关，对于提高人类的生活品质以及进一步改善人类的健康有十分重要的意义。
1研究GFP的时间线索
GFP从最初被发现到今天广为应用，经历了半个多世纪的时间。首先简单回顾一下这半个多世纪内和GFP相关的主要事件。
1955年人们首次注意到水母体内的绿色荧光物质。
1962年下村修从维多利亚多管水母中提取并分离了GFP，证实了绿色荧光物质是一种蛋白质。它的溶液在日光下略呈绿色，在白炽灯下略显黄色，而在紫外灯下则发出强烈的绿色荧光。
1969年之前称为绿色蛋白质（green protein）得名“绿色荧光蛋白”。
1974年研究发现光蛋白和GFP两种分子之间会发生能量转移（图2）。
1979年下村修找到了GFP中的生色基团（Chromophore）（图3，图5）。
1985年普腊石（Douglas Prasher）根据蛋白质的氨基酸顺序拿到了光蛋白（水母素）的基因。
1992年普腊石拿到了GFP的基因。
1993年GFP中生色基团的结构被确认。
1994年沙尔菲通过大肠杆菌和线虫研究获得了GFP的生色机理；是年，第一种蓝色荧光蛋白被报道，并提到了它可用于荧光共振能量转移（FRET）实验中。
1995年研制出了增强型绿色荧光蛋白（EGFP），它的转录速度比野生GFP快四倍。
1996年得到了野生GFP和EGFP的晶体结构，钱永健在EGFP的基础上，利用突变技术，设计并研制出黄色荧光蛋白。
1997年光蛋白和GFP被用于Ca2+的敏感指示剂。
1999年后各种各样的荧光蛋白被发明、改造并用于科学研究。
在研究GFP的50多年间，2008年诺贝尔化学奖的三位得主做出了至关重要的贡献。
2下村修与维多利亚水母
在下村修以前就有人研究过生物发光现象，例如萤火虫发出荧光，是由荧光酶（luciferase）作为酶催化氧化底物分子荧光素（luciferin）以后产生荧光。而蛋白质本身发光，无需底物，起源是下村修的研究。
1962年，下村修和约翰森等在《细胞和比较生理学杂志》上报道，他们分离纯化了维多利亚多管水母中的发光蛋白—水母素。据说下村修用水母提取发光蛋白时，有天下班前，他将产物倒进水池里。临出门前关灯，回望了一眼水池，见到水池闪闪发光。因为水池也排放有养鱼缸的水，他怀疑是鱼缸成分影响了光蛋白。然而不久之后，他便确定钙离子能增强光蛋白发光。
1963年，他和另一位研究者约翰森在《科学》杂志报道钙和光蛋白发光的关系。其后Ridgway和Ashley提出可以用光蛋白来检测钙浓度，创造了检测钙的新方法。钙离子是生物体内的重要信号分子，光蛋白成为第一个有空间分辨能力的钙检测方法，是目前仍用的方法之一。
其实早在1955年，Davenport和Nicol就发现水母可以发出绿光，但不知其因。在1962年下村修和约翰森在那篇纯化光蛋白的文章中，有个注脚，说还发现了另一种蛋白，它在日光下略呈绿色，在白炽灯下略显黄色，而在紫外灯下则发出强烈的绿色荧光。其后他们仔细研究了其发光特性。1974年，通过纯化他们得到了这种蛋白，当时称之为绿色蛋白，即现在所谓的称绿色荧光蛋白。Morin和Hastings提出光蛋白和GFP之间可以发生能量转移。光蛋白在钙刺激下会发光，其能量可转移到GFP，刺激GFP发光（图2）。
GFP是一种酸性球状蛋白质，它的发射光谱在505 nm具有吸收峰；激发光谱则在395 nm和470 nm具有吸收高峰（图4）。
只有完整的GFP分子才会产生生物荧光，但与荧光的产生直接有关的是GFP分子中一小段被称为生色基团的部位。在GFP的初级氨基酸序列上，第65个至第67个氨基酸（Ser-Tyr-Gly）形成环状六肽三体，以共价键与GFP蛋白肽键骨架相连（图5）。生色基团形成的机理目前尚不清楚，但在有分子氧存在的条件下，酪氨酸氧化成脱氢酪氨酸，并环化形成六肽，这可能是形成色基的必然过程。下村修最先推导了水母GFP色基结构，后来又进行了进一步验证与修改。
下村修本人对GFP的应用前景不感兴趣，也没有意识到应用的重要性。但他的研究却切切实实地对之后的生物科学起到了性的作用。当他离开普林斯顿到Woods Hole海洋研究所后，他的同事普腊石（Douglas Prasher）对生物示踪分子非常感兴趣。1985年普腊石和日裔科学家Satoshi Inouye根据蛋白质顺序拿到了光蛋白的基因（准确地说是cDNA）。1992年，普腊石拿到了GFP的基因。有了cDNA，一般生物学研究者就能很好地应用它，比使用蛋白质更为方便。
1996年，GFP的晶体结构也被研究得到，它是一个由11个β－折叠的蛋白质以一个α－螺旋蛋白质为中心轴所形成的笼状圆柱体，生色基团是α－螺旋蛋白质的重要组成部分，它的位置非常接近这个笼状圆柱体的中心位置（图6）。另一种平面的GFP表示方式如图7，其中绿色的代表β－折叠，红色的代表α－螺旋。
3沙尔菲将GFP应用于生物示踪
将GFP表达到其他生物体这项工作，1994年由两个实验室进行：美国哥伦比亚大学做线虫的沙尔菲实验室，和加州大学圣迭哥分校、Scripps海洋研究所的两位日裔科学家Inouye和Tsuji。
沙尔菲在之前的工作中一直和Caenorhabditis elegans（一种被广泛用于生物研究的线虫）打交道。C. elegans这种线虫只有959个细胞的一个脑，并且其三分之一的基因和人类基因有关。更重要的是，C. elegans是透明的，研究人员可以很方便的应用显微镜对其进行观察研究。
1988年当沙尔菲得知GFP后，他意识到可以使用这一工具对C. elegans进行研究，它可以作为变化的绿色信号对线虫不同细胞间的活动进行示踪观察。他将GFP基因与其他不同基因结合成可发出荧光的蛋白质的想法付诸于实践后，就能观察到细胞中不同蛋白质的形成。
沙尔菲使用DNA技术，将GFP的基因作为一个片段注射到成熟的线虫的性腺细胞核中（图7A），由于线虫是雌雄同体，它可以使自已受精。GFP基因就出现在它的卵中（图7B），这些卵后形成新的细胞核在紫外光照射下可发出荧光（图7C和D），图7E中显示了两个这样的细胞核。
光蛋白和GFP都有重要的应用，但光蛋白是荧光酶的一种，它需要荧光素才能发光，而GFP蛋白质本身即能发光，在原理上有重大突破。在上世纪90年代，科学家一般认为荧光物质在细胞中是通过许多步骤得到，每一步都需要蛋白质来控制，并且此过程需要一些特殊的蛋白质（荧光素）来产生GFP中的生色基团。但沙尔菲用实验证实了这个假设是错误的。沙尔菲的研究向人们展示了绿色荧光蛋白作为发光的示踪分子的作用。
当时沙尔菲的论文引起了巨大轰动，很多生物学研究者纷纷将GFP引入自己的系统。在一个新系统表达GFP就能在《自然》、《科学》上发表文章，其实不过是跟风性质，没有原创性。
将GFP用作示踪分子，具有以下优点：①荧光稳定；②检测方便；③无种属特异性，也没有细胞种类和位置的；④GFP对受体细胞基本无毒害；⑤由于其他生物本身不含有GFP，因此不会出现假阳性结果；⑥不需任何反应底物和辅助因子；⑦可制成永久标本；⑧灵敏度高。
尽管GFP作为报告基因或示踪分子有许多优点，但野生GFP发出的荧光较弱。其次，荧光反应不是酶反应，不能通过添加某些物质来加强信号，且不易对荧光进行定量检测。另一方面，GFP基因在植物细胞内的表现频率并不高，甚至在某些植物细胞中并不表现。所以有更多的科学家对GFP进行了改进。
从1961年到1974年，下村修和约翰森的研究遥遥领先，而很少被人注意。在1974年以后，特别是八十年代后的后继工作，很多研究生都能够完成。其中例外的是钱永健所在实验室所发现的变种出现新颜色，这一发现却非显而易见。
4钱永健改造并发展了GFP的应用
随着生物信息学、定点突变，DNA－shuffling等一系列理论和技术的应用，绿色荧光蛋白的家族成员不断扩大，出现荧光光谱、温度敏感性等改变的多种变异型。具有不同光谱特性的GFP突变体的获得拓宽了GFP的应用范围，解决了许多单独运用GFP不能解决的问题。GFP基因的改进目前主要通过以下几个途径得到突变体GFP：①更换GFP生色团氨基酸；②改变碱基组成；③除去GFP基因中隐蔽剪接位点；④插入植物内含子；⑤更换强启动子等突变体GFP；⑥增加荧光强度和热稳定性。
目前已有的具不同光谱的突变型有EBFP（增强型蓝色荧光蛋白）、ECFP（增强型青色荧光蛋白）、EGFP（增强型绿色荧光蛋白）和EVFP（增强型黄色荧光蛋白），分别呈现蓝、青、绿、黄四种颜色。至今所获得突变型的最大发射波长为529nm，为黄绿色荧光。
钱永健是和下村修研究相关的一位重要科学家。从八十年代一开始，他的工作就非常引人瞩目。同时他十分肯定下村修的工作，较早公开介绍下村修的发现。在他的研究工作中，有两项重要工作都与下村修有一定联系。
一项是研究钙染料。1980年钱永健发明检测Ca2+浓度的染料分子，1981年改进了将染料引入细胞的方法，以后发明了更多、更好的染料，被广泛地应用。检测钙的方法有三种：选择性电极、光蛋白、钙染料。在钱永健研制的钙染料没有出现以前，具有空间检测能力的只有光蛋白，但当时光蛋白需要注射到细胞内，应用不方便。钱永健的钙染料可以通透到细胞里面去。
钱永健的第二项工作是研究GFP。1994年起，钱永健开始研究并改造GFP，并获得了多项发现。世界上用的大多数是钱永健实验室改造后的变种。改造后的GFP促进了生色基团的折叠，改善了其荧光特性，甚至可以得到红色、黄绿色、蓝色等多种颜色的荧光蛋白，有的可激活、可变色，大大拓宽了GFP研究的领域。他被公认为这方面的先驱。
钱永健对人们理解GFP及GFP族的化学荧光特性做出了重要的贡献，他使不同的GFP产生的荧光颜色覆盖了整个可见光谱，同时他改善了生色基团，增强了GFP的荧光效应，也使荧光的稳定性增强。他发展了GFP，使之成为极有效的研究动态生命过程的基因标记工具。
5结束语
科学上一个偶然的发现往往会引起巨大的科学，新工具的出现会使研究取得意想不到的新成果。当年下村修研究了GFP，但他并没有意识到GFP重要的应用前景。沙尔菲恰恰在自己的实验研究过程中采用了最新的GFP研究成果，并发展了GFP的应用领域。而当今世界上用的GFP大多数是钱永健实验室改造后的变种。
获得2008年诺贝尔化学奖的三位科学家在发现和研究GFP的过程中各有贡献，而且可以看出他们的研究是一脉相承的。随着分子生物学理论与技术的发展，对GFP研究的进一步深入，GFP在分子生物学领域的应用进一步加强。GFP工程，包括GFP蛋白工程和GFP基因工程，尤其GFP基因作为新型报告基因越来越受到关注。当然在应用GFP作为研究工具时，也遇到了一些问题。例如将GFP作为选择标记基因成功构建多种表达外源基因的重组质粒时发现一些因素影响着GFP的检测。此外，在细胞生物学的研究过程中发现新生GFP通过折叠和加工成为具有活性的形式过程十分缓慢。但随着生物技术的发展，对GFP的基础理论研究的进一步深入和新型突变体的不断出现，有理由相信这些问题终将会得到解决，从而使GFP更好地为科学研究服务。
参考文献：
[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．
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[3]王晓丽，邵卫星．绿色荧光蛋白研究进展[J]．动物医学进展，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．下载本文
