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这只会发光的水母点亮了整个生物学界

投稿时间:2019-07-01 16:33 投稿人:雁门飞雪 【字号: 访问量:

制作:颜飞(中国科学院青岛生物能源与过程研究所)

水母是一类古老的,因外表极具观赏性而常常出现在海洋馆的展览中。大多数水母具有漂亮的外形和优雅的泳姿,然而真正吸引游客驻足的还是水母那诱人的荧光。水母为什么能够发光呢?

图片来源:https://item.m.jd.com/

水母是如何发光的?

海洋生物发光是一个比较普遍的生物学现象,全球已知的海洋发光生物种类共有462个属。截至目前,科学家对维多利亚多管水母(Aequorea victoria)的发光机制研究得较为深入,日本科学家下村修、美国科学家马丁·查尔菲钱永健因相关研究而获得了2008年诺贝尔化学奖。

科学家已经解开了困扰人类多年的谜题,实际上维多利亚多管水母的荧光现象是由其体内两个神奇的蛋白——光蛋白和绿色荧光蛋白(GFP)造成的。

蓝光的缔造者——光蛋白

维多利亚多管水母体内的光蛋白是由荧光素、荧光酶和分子氧组成的复合体,当与钙离子结合时荧光素被氧化而释放出蓝光。

绿光的缔造者——绿色荧光蛋白

绿色荧光蛋白中包裹在复杂结构内部的生色基团,受到激发光激发而释放绿光。

图片来源:blog.sina.com.cn

水母究竟发蓝光还是绿光?

虽然在体外实验中,两种蛋白分开表达时,可以分别显示蓝光和绿光,但实际上在活体中只会显示绿色荧光。原因是光蛋白和绿色荧光蛋白之间存在一个无辐射的能量转移过程,由光蛋白释放的蓝光被绿色荧光蛋白吸收继而释放出绿色荧光。

图片来源:作者提供

GFP为科研工作者开绿灯

近年来从维多利亚多管水母中分离得到的绿色荧光蛋白 ,由于具有作为生物标记物的独特优点,受到科研工作者的青睐,得到广泛的研究和应用。三位诺奖得主终其一生研究绿色荧光蛋白,为今后的科研工作打开了“绿灯”。

下村修: GFP的最初发现者

1962年,下村修从小水母中分离发光蛋白时,发现了另一种“绿蛋白”,在紫外光的照射下会发出绿色荧光。下村修和导师发表论文,宣告发现绿色荧光蛋白。随后下村修又阐明了绿色荧光蛋白发光部分的化学构造,但并没有引起科学界的重视。

马丁·查尔菲:将GFP用于异源动物体内表达

1992年,格拉斯·普拉舍成功地从多管水母的DNA中分离出了GFP基因,但因经费不足而离开科研界。这位诺奖陪跑者所做的更大贡献是将相关材料增予了马丁·查尔菲和钱永健!前者将GFP基因植入了线虫体内,并登上了《Science》期刊的封面,打开了用GFP对活细胞进行示踪研究的大门。

图片来源:https://www.sciencemag.org/

钱永健:开发和改进GFP,推动了 GFP的应用

钱永健团队筛选出了荧光强度和稳定性得到增强的绿色荧光蛋白并且让这种绿色荧光蛋白衍生出了一系列的七彩荧光蛋白,如葡萄紫、红梅紫、蜂蜜黄、香蕉黄、樱桃红、反其阿红等。GFP因此可以作为一种分子标记,在生物学、医学领域得到广泛应用。

图片来源:www.bio-equip.com

GFP点亮的领域

蛋白质相互作用:GFP技术为研究细胞内蛋白间相互作用提供了极大的方便。研究人员为了研究可溶性微管蛋白(简称A)与其内膜受体(简称B)之间的缔合作用,他们将GFP与B融合,并用A与之直接结合.通过荧光检测发现,B-GFP融合蛋白在细胞分裂过程中均位于A与膜相关的结构中,说明AB的相互缔合是细胞分裂必需的。

生物防治:目前农林病虫害已经由农药防治逐渐转向生物防治,生物农药具有选择性强、对人畜安全、无污染的优点,但是其杀虫效果往往得不到准确的评估。利用GFP标记,AcNPV(一种杆状病毒),通过观测荧光,可以鉴别出已经感染和正在感染的害虫,并且可以便捷区分天然病原致死和生物农药致死,从而为生物防治提供客观准确的评估。

生态学示踪:某些具有迁徙性的害虫,例如棉铃虫,其爆发规律往往很难预测。科学家利用带有GFP的棉铃虫病毒去感染棉铃虫宿主,该方法的优势在于只需一次感染,荧光性状就能稳定地遗传下去。因此可以在研究棉铃虫的迁徙和爆发规律中做出重要贡献。

人们常说16世纪显微镜的发明为人类打开了微观世界的大门,那么在21世纪绿色荧光蛋白作为“细胞中的显微镜”,必将再次引领我们进入一个全新的领域。

 

参考资料:

[1] Heim R , Tsien P R Y . Wavelength Mutations and Posttranslational Autoxidation of Green Fluorescent Protein[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1994, 91(26):12501-12504.

[2] Heim R , Tsien R Y . Engineering green fluorescent protein for improved brightness, longer wavelengths and fluorescence resonance energy transfer[J]. Current Biology, 1996, 6(2):178-182.

[3] Cormack B P , Valdivia R H , Falkow S . FACS-optimized mutants of the green fluorescent protein (GFP)[J]. Gene (Amsterdam), 1996, 173(1):0-38.

[4] Yang F , Moss L G , Phillips G N . The molecular structure of green fluorescent protein[J]. Nature Biotechnology, 1996, 14(10):1246-1251.

[5] Broers J L, Machiels B M, van Eys G J, et al. Dynamics of the nuclear lamina as monitored by GFP-tagged A-type lamins.[J]. Journal of Cell Science, 1999, 112 ( Pt 20)(20):3463-3475.

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