綠色螢光蛋白
綠色螢光蛋白（Green fluorescent protein，簡稱GFP），是一個由約238個胺基酸組成的蛋白質，從藍光到紫外線都能使其激發，發出綠色螢光。[2][3]雖然許多其他海洋生物也有類似的綠色螢光蛋白，但傳統上，綠色螢光蛋白（GFP）指首先從維多利亞多管發光水母中分離的蛋白質。這種蛋白質最早是由下村脩等人在1962年在維多利亞多管發光水母中發現。這個發光的過程中還需要冷光蛋白質水母素的幫助，且這個冷光蛋白質與鈣離子(Ca2+)可產生交互作用。
| 綠色螢光蛋白 (Green fluorescent protein) | |||||||||
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 維多利亞多管水母綠色熒光蛋白的結構。[1] | |||||||||
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| 標誌 | Reginal | ||||||||
| Pfam | PF01353（舊版） | ||||||||
| Pfam宗系 | CL0069（舊版） | ||||||||
| InterPro | IPR011584 | ||||||||
| SCOP | 1ema / SUPFAM | ||||||||
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在維多利亞多管發光水母中發現的野生型綠色螢光蛋白，395nm和475nm分別是最大和次大的激發波長，它的發射波長的峰點是在509nm，在可見光譜中處於綠光偏藍的位置。綠色螢光蛋白的螢光量子產率（QY）為0.79。而從海腎(sea pansy)所得的綠色螢光蛋白，僅在498nm有一個較高的激發峰點。
在細胞生物學與分子生物學中，綠色螢光蛋白(GFP)基因常用做報導基因(reporter gene)。[4]，綠色螢光蛋白基因也可以轉殖到脊椎動物(例如:兔子)上進行表現，並拿來映證某種假設的實驗方法。通過基因工程，綠色螢光蛋白(GFP)基因能穩轉進不同物種的基因組，在後代中持續表達。現在，綠色螢光蛋白(GFP)基因已被導入並表達在許多物種，包括細菌，酵母和其他真菌，魚（例如斑馬魚），植物，蒼蠅，甚至人等的哺乳動物細胞。
1962年日本科學家下村脩在水母體內發現具有發光基因的水母素與綠色螢光蛋白，1979年美國科學家道格拉斯·普拉修成為喬治亞大學博士後研究員就是研究水母素與綠色螢光蛋白，之後成功找到水母素基因並成功讓大腸桿菌具有水母素的發光基因，隨後再投入研究綠色螢光蛋白，之後成功取得綠色螢光蛋白基因但尚無植入大腸桿菌，但最後至1991年因無法取得研究經費而選擇直接發表相關論文後放棄研究，隨後普拉修將其取得的綠色螢光蛋白基因寄予馬丁·查爾菲和錢永健，讓他們繼續研究如何應用綠色螢光蛋白基因。
2008年10月8日，日本科學家下村脩、美國科學家馬丁·查爾菲和錢永健因為發現和改造綠色螢光蛋白而獲得了當年的諾貝爾化學獎，領獎時查爾菲和錢永健都邀請已是司機員的普拉修與會並致詞感謝他的研究成就。[5][6]
歷史
編輯
野生型GFP(wtGFP)
編輯在1960年代和1970年代，綠色螢光蛋白，連同分開發光蛋白水母素，首先從維多利亞多管發光水母被純化，及其屬性被下村修研究。[7]
GFP衍生物
編輯
由於對廣泛使用的潛力和研究人員不斷變化的需求，綠色螢光蛋白的許多不同的突變體已被改造設計。[8]
結構
編輯野生型綠色螢光蛋白，最開始是 238 個胺基酸的肽鏈，約 25KDa。然後按一定規則，11 條β-摺疊在外周圍成圓柱狀的柵欄；圓柱中，α-螺旋把發色團固定在幾乎正中心處。發色團被圍在中心，能避免偶極化的水分子、順磁化的氧分子或者順反異構與發色團作用，致使螢光猝滅。[3]
螢光是螢光蛋白最大特色，而其中的發色團起著關鍵作用。在 α-螺旋上的65、66、67位胺基酸——絲氨酸、酪氨酸、甘氨酸經過環化、脫氫等作用後形成發色團。有意思的是，發色團形成過程是由外周柵欄上的殘基催化，只額外需要氧氣。[1]這暗示綠色螢光蛋白被廣泛用於不同物種的潛力：在不同物種中能獨立表達成有功能的蛋白，而不需要額外的因子。不過，現在依然在討論準確的過程。[9]
發色團上的共軛 π鍵能吸收激發光能量，在很短的時間後，以波長更長的發射光釋放能量，形成螢光。
應用
編輯由於螢光蛋白能穩定在後代遺傳，並且能根據啓動子特異性地表達，在需要定量或其他實驗中慢慢取代了傳統的化學染料。更多地，螢光蛋白被改造成了不同的新工具，既提供了解決問題的新思路，也可能帶來更多有價值的新問題。
螢光顯微鏡
編輯GFP和它的衍生物的可用性已經徹底重新定義螢光顯微鏡，以及它被用來在細胞生物學和其他生物學科的方式。[10]。其中，最令人興奮的就是用於超分辨顯微鏡成像。
參見
編輯
參考資料
編輯- ^ 1.0 1.1 Ormö M, Cubitt AB, Kallio K, Gross LA, Tsien RY, Remington SJ. Crystal structure of the Aequorea victoria green fluorescent protein. Science. September 1996, 273 (5280): 1392–5. PMID 8703075. doi:10.1126/science.273.5280.1392.
- ^ Prendergast FG, Mann KG; Mann. Chemical and physical properties of aequorin and the green fluorescent protein isolated from Aequorea forskålea. Biochemistry. 1978, 17 (17): 3448–53. PMID 28749. doi:10.1021/bi00610a004.
- ^ 3.0 3.1 Tsien RY. The green fluorescent protein (PDF). Annu Rev Biochem. 1998, 67: 509–44 [2014-10-13]. PMID 9759496. doi:10.1146/annurev.biochem.67.1.509. （原始內容 (PDF)存檔於2020-07-28）.
- ^ Phillips G. Green fluorescent protein--a bright idea for the study of bacterial protein localization. FEMS Microbiol Lett. 2001, 204 (1): 9–18. PMID 11682170. doi:10.1016/S0378-1097(01)00358-5.
- ^ 存档副本. [2008-10-08]. （原始內容存檔於2012-10-26）.
- ^ 钱永健等三位美国科学家获诺贝尔化学奖. [2008-10-08]. （原始內容存檔於2008-10-13）.
- ^ Shimomura O, Johnson F, Saiga Y. Extraction, purification and properties of aequorin, a bioluminescent protein from the luminous hydromedusan, Aequorea. J Cell Comp Physiol. 1962, 59 (3): 223–39. PMID 13911999. doi:10.1002/jcp.1030590302.
- ^ Shaner N, Steinbach P, Tsien R. A guide to choosing fluorescent proteins (PDF). Nat Methods. 2005, 2 (12): 905–9 [2014-06-23]. PMID 16299475. doi:10.1038/nmeth819. （原始內容 (PDF)存檔於2021-04-16）.
- ^ Chudakov DM, Matz MV, Lukyanov S, Lukyanov KA. Fluorescent proteins and their applications in imaging living cells and tissues. Physiological Reviews. Jul 2010, 90 (3): 1103–63. PMID 20664080. doi:10.1152/physrev.00038.2009.
- ^ Yuste R. Fluorescence microscopy today. Nat Methods. 2005, 2 (12): 902–4. PMID 16299474. doi:10.1038/nmeth1205-902.
延伸閱讀
編輯- Pieribone V, Gruber D. Aglow in the Dark: The Revolutionary Science of Biofluorescence. Cambridge: Belknap Press. 2006. ISBN 0-674-01921-0. OCLC 60321612. Popular science book describing history and discovery of GFP
- Zimmer M. Glowing Genes: A Revolution In Biotechnology. Buffalo, NY: Prometheus Books. 2005. ISBN 1-59102-253-3. OCLC 56614624.
外部連結
編輯
- A comprehensive article on fluorescent proteins at Scholarpedia
- Brief summary of landmark GFP papers （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
- Interactive Java applet demonstrating the chemistry behind the formation of the GFP chromophore
- Video of 2008 Nobel Prize lecture of Roger Tsien on fluorescent proteins （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
- Excitation and emission spectra for various fluorescent proteins （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
- Green Fluorescent Protein Chem Soc Rev themed issue dedicated to the 2008 Nobel Prize winners in Chemistry, Professors Osamu Shimomura, Martin Chalfie and Roger Y. Tsien
- Molecule of the Month, June 2003: an illustrated overview of GFP by David Goodsell.
- Molecule of the Month, June 2014: an illustrated overview of GFP-like variants by David Goodsell.