PDF《点亮希望之光——绿色荧光蛋白的发现和发展》

李小泉 .

绿色荧光蛋白――点亮希望之光 ・

473 ・ 通信作者:李小泉,男,中国科学院神经科学研究所,博士,助理研究员,Email: [email protected] 生命的化学 , 2013, 33(4): 473-477 www.life.ac.cn 点亮希望之光――绿色荧光蛋白的发现和发展 李小泉 绿色荧光蛋白(green fluorescent protein, GFP) 是一种在当今生命科学和医学研究中被广泛使用 的示踪物.它的出现彻底改变了科研人员的实验 策略,基于GFP的光学成像技术使人们可以直接观 察到从微观到宏观各个层次上丰富多彩的生命现 象.因在发现和研究绿色荧光蛋白方面作出杰出贡 献,下村修(Osamu Shimomura)、马丁・查尔菲 (Martin?Charfie)与钱永健(Roger Tsien)分享了2008 年的诺贝尔化学奖.细细品味GFP的发现与发展, 笔者深切地感受到这个过程可以与任意一部好莱 坞大片相媲美,开篇充满惊险,中间出现惊奇, 结尾一马平川.虽然之前已经有一些同样话题的 文章,但是笔者依然想抛开晦涩的科学细节,用 更加通俗的语言来与大家分享这一切,希望大家 能从中感受到科学发现过程中的惊喜与快乐. 绿色荧光蛋白的发现――来自大海母亲的意 外礼物 生命源自大海.即便在现代科学如此发达的 今天,大海仍是未知的世界.相信广大读者和笔 者一样,都从火爆异常的《少年派的奇幻漂流》 中领略了大海令人恐怖的疯狂和叫人窒息的美 丽.笔者深深地记得影片中一个异常美丽的镜 头,少年派和理查德-帕克漂浮在黑夜平静的海面 上,海水清澈的跟透明一般;

海里漂浮着绿色的 亮点,像无数飞舞在寂静夜空中的孔明灯;

突然 一只巨大的鲸鱼冲出水面,把平静的海面打碎, 派也被掀翻到海里.在这个迷人的场景中,绿色 的亮点是一种水母,大海母亲送给人类的礼物――绿色荧光蛋白,就是在它体内发现的. 万事开头难,越是伟大的发现越是会有艰难 的开始,在其中又会有很多让人揪心的偶然因 素,所以在后人看来,只要这些关键节点发生的 事情稍微偏差一点点,一切都会是另一番景象. 绿色荧光蛋白的发现也是这样一个让人 揪心 的过程.下村修是一名日本科学家,他从小跟随 非常传统的爷爷奶奶生活.作为长子长孙,他被 视为家族继承人, 一言一行都会受到奶奶的严格 要求,因此养成了良好的生活习惯.16岁那年, 他亲眼目睹了轰炸机掠过长崎,投下原子弹后离 去,留下了剧烈爆炸后的火光和强烈冲击波.幸 运的是,下村修健康地活了下来.从小养成的良 好生活习惯和二战中对于生死的强烈体验对下村 修的秉性产生了巨大影响,使他具有坚韧不拔、 百折不挠的性格和勇气,这些都是进行开创性研 究必备的品格.另外,下村修从小家境殷实,这 让他躲过了战时和战后的萧条期,有物质条件继 续学习和深造. 经历了轰炸的长崎百废待兴,二战结束两年 之后,下村修才勉强进入了一所当地的医学院 (Nagasaki Phamacy College)开始学习.四年之后 (1951年)他以优异的成绩完成了本科学业,留在了 安永(Yasunaga)教授的实验室从事物质纯化和层析 分析方面的研究.工作四年之后,安永教授决定 推荐下村修到名古屋大学(Nagoya University)江上 修(Igami)教授的实验室从事当年异常火爆的分子 生物学研究.遗憾的是,江上修教授外出不在. 不幸中的万幸,下村修得到了平田义正(Yoshimasa Hirata)教授的邀请,到平田教授的实验室工作.之 《生命的化学》2013 年33 卷4期・474 ・ 科普园地 后也正是因为在平田教授实验室的工作,他走上 了GFP的发现之路(好险!让人揪心). 在那个物理学家纷纷转投生物学的年代,人 们对于了解生物现象的物理学基础非常感兴趣, 解析各种物质的结构是大家都非常关心的话题. 平田教授给了下村修一个极具挑战性的课题:为 解析大名鼎鼎的荧光素(luciferin)发光原理做好基 础性工作――纯化并结晶荧光素.经过很长时间 的艰苦实验,下村修依然一无所获.一次深夜加 班之后,他决定暂时放弃原来的实验计划,将不 用的样品用做另一种分析.因为已是深夜,加好 初步的试剂之后,下村修未对样品进行进一步处 理就回家休息了.令人惊奇的是,第二天回到实 验室,他发现试管里的荧光素结晶出来了.这不 经意 偷懒 带来的成功(好让人揪心),与费莱明 发现青霉素的经历何其相似,机会真的是垂青有 准备的人. 有了这样出色的研究经历,下村修收到了普 林斯顿大学约翰逊(Frank H. Johnson)教授的邀请, 进入这座闻名遐迩的学府,开展对水母发光机制 的研究.他最初的研究集中 在水母的另外一个荧 光蛋白上.在那个年代,人们普遍认为生物荧光 的物质基础都类似于荧光素,并非蛋白质,所以 下村修和他导师开始的研究思路并没有集中在蛋 白质上.经历了一系列失败之后,下村修决定跳 出荧光素的思维,从蛋白质的角度来开展实验, 这与他导师的研究思路产生了严重分歧.但下村 修决定坚持下来,他开展了卓有成效的实验验证 了自己的观点. 确定了这一点,下面的研究就围绕这一思路 展开.水母是海洋生物,所以在接下来的整个夏 天,下村修所在实验室的大部分精力都集中在出 海收集水母、解剖和保存水母发光器官上.或许 在常人看来,吹着海风,漫步海边的生活非常惬 意,但现实却并非这般浪漫,日复一日的重复劳 动是极考验人的一件事.在这样的坚持下,上帝 又一次眷顾了下村修和他的同事.一次深夜,下 村修将装有废弃样本的管子扔到了盥洗池,盥洗 池里的海水倒灌进了管子,他惊奇地看到倒灌的 海水使管子里的样本发出了荧光.这个意外的现 象使得他发现,这 种荧光蛋白是钙离子敏感的, 这也直接导致了它在接下来细胞功能成像中的大范 围应用,它就是大名鼎鼎的水母光蛋白aequorin. 在分离并纯化aequorin之后,下村修对它的结构和 发光特性进行了仔细的研究,意外发现纯化的 aequorin发出蓝色光,但水母在自然条件下发出的 却是绿色荧光.下村修和他的同事推测在水母中 存在另外一种绿色荧光蛋白,这种绿色荧光蛋白将 aequorin发出的蓝光进行了过滤,从而使水母发出 绿色光.后来的实验证明了这点,下村修成功分离 了这种蛋白质,并称之为绿色蛋白(green protein), 这就是之后大名鼎鼎的GFP;