螢光蛋白:帶你進入不一樣的視界

2021-01-15 生物100

簡述螢光蛋白


摘    要：螢光蛋白的發現為生命科學研究提供了極為有效的方法，具有劃時代的意義。本文就螢光蛋白的發現、分類、理化性質和基本應用進行歸納總結。


染色和標記是細胞生物學研究常用方法。早在螢光蛋白發現之前，免疫偶聯螢光標記、化學螢光染料直接標記等技術已廣泛應用於生物分子的研究中。而螢光蛋白的發現及後續改造，為生命科學基礎研究提供了更為完善和系統的標記工具，為探索活細胞中微觀生命的活動規律創造了機會，推動了人們對生命進一步的認識。

1 螢光蛋白的發現及分類

1.1 綠色螢光蛋白

1962年，下村修從維多利亞多管水母中分離到一種蛋白，在紫外線激發下它可以發出綠色螢光，即綠色螢光蛋白 (GFP) 。他還採用生物化學方法初步推測了GFP的發光位點和發光基團。普拉舍於1985至1992年間完成了GFP基因和蛋白質序列的測定，並確定了發光位點。隨後科學家解析了GFP的晶體結構。首次將GFP應用於生物學研究的是馬丁·查爾菲，他通過分子生物學技術將GFP的cDNA在線蟲等模式生物中表達，使人們意識到GFP作為報告基因的巨大潛力。錢永健團隊解析了GFP的發光機制，並通過突變對GFP改造，得到了一些螢光亮度更高、吸收峰單一、構象摺疊效率高的突變體，如GFP-S65T。為了表彰他們在綠色螢光蛋白研究中做出的巨大貢獻，2008年諾貝爾化學獎授予了下村修、馬丁·查爾菲和錢永健三位科學家。

1.2 紅色螢光蛋白

1999年，Matz等從珊瑚蟲中分離出了能在紫外照射下發出紅色螢光的蛋白質———紅色螢光蛋白 (RFP) 。其中，Ds Red是最早用於研究的紅色螢光蛋白，2001年Yarbrough等人解析了它的晶體結構。相比於GFP，它有更高的螢光強度，成像背景低，並能激發和發射更長的波長。很多時候，研究者可同時使用GFP和Ds Red對不同蛋白質進行雙標記可完成GFP無法獨自解決的問題。但Ds Red在應用中也因成環氧化過程緩慢、易寡聚化等缺陷，限制了其在一些研究中的應用。隨後科研人員對其進行一系列的遺傳改造，使其成為真正意義上的RFP。

發紅光的貓

左側的貓由韓國研究人員2007年晚些時候打造，能夠在紫外線下發出紅光。某些情況下，這些螢光蛋白基因可用作一種分子開關，觸發其它細胞活動。


1.3 其他類型的螢光蛋白

為了擴大螢光蛋白的用途，科研人員基於光譜特性作了進一步的改造，得到了不同顏色的突變體。例如，突變GFP獲得了藍色 (BFP) 、青色 (CFP) 、綠色 (GFP) 和黃綠色 (YFP) 四組不同顏色的螢光蛋白，其光譜範圍覆蓋藍色至黃色。RFP突變衍生出了橙色、紅色和近紅外光譜的螢光蛋白。以上變種的光譜幾乎覆蓋了可見光範圍，極大地提高了螢光蛋白標記選擇的靈活性。此外，隨著人們對螢光蛋白的不斷研究，科研人員又從其他物種分離了各種螢光蛋白，發現它們會因物種的不同在結構、性質和發光機制上也有所差異。

2 螢光蛋白的理化性質

GFP是由238個胺基酸組成的分子量約為27kD的單體蛋白。其二級結構是11條β摺疊鏈組成的圓柱體狀，還有一條α螺旋鏈沿圓柱體中軸分布，我們稱之為β罐。GFP能產生螢光是因為內部的絲氨酸-酪氨酸-甘氨酸 (第65～67位胺基酸殘基) 形成了生色團，該生色團位於圓柱體中心的α螺旋上，為自己創造了一個穩定的環境。生色團內的分子可環化形成對羥基亞苄基-咪唑啉酮，這種化學鍵能被激發發光。該過程是自動催化完成的，不需要底物和其他蛋白質的修飾，唯一需要氧氣作為輔助因子參與化學鍵形成時的脫氫反應。

Ds Red是由225個胺基酸組成，分子量約為26kD的蛋白質。與GFP相比，兩者在一級結構上同源性很低，但二級結構的相似度很高，也能形成β罐。其生色團是由穀氨醯胺—酪氨酸—甘氨酸 (第66～68位胺基酸殘基) 組成。生色團的形成兩者也有差異，Ds Red會先形成類似於GFP的生色團中間體，再經氧化反應，才轉為紅色螢光生色團。總的來看，Ds Red的生色團是GFP生色團的延伸。

3 螢光蛋白的應用

由於螢光蛋白的眾多優點，使其廣泛應用於生物學的多個領域。

3.1 蛋白質定位和功能研究中的應用

螢光標記和示蹤是螢光蛋白最基本的功能，也是目前細胞生物學研究的重要手段。例如，研究一種蛋白質在細胞中的分布時，可將目的蛋白基因和螢光蛋白基因融合到同一質粒中，構建融合基因表達載體，並轉染至細胞內，表達的融合蛋白能行使目的蛋白的生物學功能，又有螢光蛋白的發光特點。隨後藉助雷射共聚焦顯微鏡分析目的蛋白的亞細胞定位。此外，上述融合表達載體還可用於啟動子分析、基因表達調控等的研究。

3.2 蛋白質互作研究中的應用

蛋白質互作是生命現象發生的基礎，研究其互作可以闡明生物反應的機理，揭示生命現象的本質。目前，基於螢光蛋白的螢光共振能量轉移 (FRET) 技術和螢光互補 (FC) 技術已成為研究蛋白互作的有效手段。以FRET技術為例，FRET現象涉及兩種螢光蛋白，分別作供體和受體, 要求供體的發射譜與受體的吸收譜重疊，當兩者距離很近時 (1～10 nm) ，光子能量將從供體轉移至受體，使受體發出螢光。目前，最常用的一對供受體是基於GFP突變的青色螢光蛋白 (CFP) 和黃色螢光蛋白 (YFP) 。例如，研究a、b兩種蛋白質間是否互作，就可以將CFP基因和YFP基因分別與編碼a、b蛋白的基因融合到同一質粒，並在同一細胞中表達。如果a、b蛋白發生互作，CFP和YFP也會因a、b蛋白構象的改變而靠得很近，從而發生FRET現象。此時就能檢測到YFP發射的螢光, 而CFP發射的螢光會大大減弱甚至消失。

來源：王裕鵬.簡述螢光蛋白，生物學教學，2019,5

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