Question

荧光蛋白的发光原理是什么

Answer 1

生命的颜色

在海洋中，栖息着一类美丽而神奇的生物——水母。水母是一类古老的水生无脊椎软体动物。多数水母拥有颜色绚丽的伞性身躯及自体发光的能力，可散发出点点淡蓝色荧光，与摇曳的海水相映成辉，常引人无限遐想。没有人知道水母发光的能力是如何进化而来的，这些美丽的海洋精灵遍布在世界各地的海洋中，如繁星般点缀着浩瀚的海底世界。千百万年来，这些美丽的水母如光明的使者，出现在诗人、画家和摄影师的作品中，为人类艺术史增添了一抹亮色。

▲Aequorea Victoria水母

直至20世纪中期，一位日本科学家下村修才注意到并着手研究了水母这一独特的发光现象，并发现其荧光源自一种会发光的蛋白——水母蛋白，它可以发出蓝色的荧光并将其传递给另一种绿色荧光蛋白，最终使水母产生绿色的荧光。随后马丁·查尔菲及钱永健两位科学家对GFP加以改造和利用，并正式将其成功引入整个生命科学领域，引发了一场生命科学领域细胞及蛋白研究技术的巨大革命。至今为止，利用改造后的荧光蛋白标记活体细胞的方法已在世界各实验室得到广泛推广，而下村修、马丁·查尔菲及钱永健三人也因为他们做出的巨大贡献共同获得了2008年诺贝尔化学奖。下面，我们将逐步介绍水母素、绿色荧光蛋白与人类科学共同发展的辉煌历史。

▲2008年，瑞典皇家科学院将当年诺贝尔化学奖分别授予日本科学家下村修（左一）、美国科学家马丁·查尔菲（中）和美籍华裔科学家钱永健（左三）

水母蛋白的发现故事

下村修是最早研究这种水母发光现象的科学家之一。20世纪50年代，他所在的伍兹霍尔海洋生物实验室正致力于研究生物的发光现象。1955—1961年间，下修村已经对水萤火虫（Cypridina）体内的发光机制进行了深入研究，并发现这种小生物的发光需借助于其体内一种奇特的蛋白，并将其命名为荧光素酶。遗憾的是，下修村发现仅靠荧光素酶自身并不足以发光——很多年以后人们才发现荧光素酶本身没有发光能力，但其可以催化一种叫做荧光素的小分子化合物并使其发光——但这项研究令他意识到很多海洋生物的发光能力可能依赖于其体内产生的某种发光蛋白。因此，他转而研究更多的海洋生物，以寻找其他具有发光能力的蛋白。

后来，在其导师约翰森的建议之下，他最终决定将工作重点放在研究一种名为Aequorea victoria的水母身上。为此他和约翰森多次驱车到达华盛顿大学的星期五港实验室打捞大量水母，并将它们分批带回位于马萨诸塞州的实验室进行蛋白提取实验。先前关于荧光素酶的研究为下村修提供了大量研究经验，他很快发现在水母伞性区域的边缘聚集有大量能够发光的发光细胞，并从中分离出了一种可以发光的蛋白，并将其称作“水母蛋白”。该研究刊登在1962年《细胞和比较生理学杂志》上。

据称有一天，下村修又提取了一份不能发光“失败”的蛋白样品，下班前随手将其倒入水池中，并关好实验室的灯准备回家。临走前他例行环视了实验室一周后准备锁门，下一刻他惊奇地发现水池中竟散发着蓝色的荧光！他立刻断定可能是水池中的某种成分激活了水母蛋白的发光能力。在此后的几天，他对水池中可能存在的所有离子及化学组分进行了逐一筛查，并最终发现钙离子可以激活水母蛋白发光能力。

Answer 2

绿色荧光蛋白是从水母体内发现的发光蛋白。分子质量为26kda，由238个氨基酸构成，第65～67位氨基酸形成发光团，是主要发光的位置。其发光团的形成不具物种专一性，发出荧光稳定，且不需依赖任何辅因子或其他基质而发光。绿色荧光蛋白基因转化入宿主细胞后很稳定，对多数宿主的生理无影响，是常用的报道基因。
荧光蛋白在某种定义下可以说是革新了生物学研究——运用荧光蛋白可以观测到细胞的活动，可以标记表达蛋白，可以进行深入的蛋白质组学实验等等。特别是在癌症研究的过程中，由于荧光蛋白的出现使得科学家们能够观测到肿瘤细胞的具体活动，比如肿瘤细胞的成长、入侵、转移和新生。
原理
Chudakov是抓住一个偶然的机会从而培育出这种穿透性超强的深红色荧光蛋白质的。他的一个同事在逛莫斯科宠物商店时发现了一只颜色深红的海葵，出于职业的直觉，他将海葵带了回来；然后，他们对海葵的荧光蛋白质分子进行诱变，最终得到了一种能够在生物体内稳定存在，同时能发出更明亮红光的蛋白质。Chudakov已在人体细胞和青蛙身上测试了这种新的荧光蛋白质。在动物实验中，他发现从外界就可以明显看到这种深红色荧光蛋白质从小动物肌肉组织深处发出的亮光，而同种处于肌肉组织深处的一般荧光蛋白质发出的光则几乎看不见，Chudakov准备下一步在白鼠身上实验这种荧光蛋白质。
斯坦福大学分子影象中心的科学家Zhen Cheng对这项发现评价道：“红色光对生物体组织的穿透性远胜于其他颜色，正因为此，目前有很多科研人员都在努力培育具有高稳定性的红色荧光蛋白质，但截至目前尚没有哪一个比Chudakov培育出的荧光蛋白质更稳定、更明亮，Chudakov培育出的这种深红色荧光蛋白质将大大提高生物体活体成像的质量，并在实时追踪活生物体内深层组织的分子活动上得到广泛的应用”。
同一般荧光蛋白质相比，这种深红色荧光蛋白质能释放出波长更长的光，因而能更好地用于活体动物内脏的深度成像，从而有助于研究人员在活生物体身上非侵入式地进行癌细胞发展和治疗过程的实时研究，使我们对癌症等疾病的发病过程有更深入的了解。而一般荧光蛋白质由于穿透性比较弱，研究人员研究时不得不将肿瘤移植到皮下浅层或其他模拟环境下（如活体解剖成像或活体组织切片成像）进行研究。此前最为成功的荧光蛋白质是一种增强的绿色荧光蛋白质，但其稳定性差，光的穿透性也不如新发现的深红色荧光蛋白质好。

Answer 3

绿色荧光蛋白是从水母体内发现的发光蛋白。分子质量为26kda，由238个氨基酸构成，第65～67位氨基酸形成发光团，是主要发光的位置。其发光团的形成不具物种专一性，发出荧光稳定，且不需依赖任何辅因子或其他基质而发光。绿色荧光蛋白基因转化入宿主细胞后很稳定，对多数宿主的生理无影响，是常用的报道基因。

Answer 4

绿色荧光蛋白是从水母体内发现的发光蛋白。分子质量为26kda，由238个氨基酸构成，第65～67位氨基酸形成发光团，是主要发光的位置。其发光团的形成不具物种专一性，发出荧光稳定，且不需依赖任何辅因子或其他基质而发光。绿色荧光蛋白基因转化入宿主细胞后很稳定，对多数宿主的生理无影响，是常用的报道基因。