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荧光蛋白照亮细胞生物学

来源:生物通
摘要:自从1962年科学家们首先在水母体内发现绿色荧光蛋白(GFP)以来,这种神奇的蛋白质技术获得飞速地发展,成为了生物学功能研究的重要工具之一。除了水母中的绿色荧光蛋白,研究人员还从其他的动物体内分离获得了多种GFP样的荧光蛋白。在过去的十年里各种不同光谱的荧光蛋白不断地被发现,受到启发的研究人员一直期待着开发......

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自从1962年科学家们首先在水母体内发现绿色荧光蛋白(GFP)以来,这种神奇的蛋白质技术获得飞速地发展,成为了生物学功能研究的重要工具之一。除了水母中的绿色荧光蛋白,研究人员还从其他的动物体内分离获得了多种GFP样的荧光蛋白。在过去的十年里各种不同光谱的荧光蛋白不断地被发现,受到启发的研究人员一直期待着开发出一种工具能够对生物功能进行直接的显像研究。



        除了最常见的利用荧光蛋白成像观测基因表达和蛋白质动态,现在科学家们又利用荧光蛋白生成了生物传感器,可用于检测离子和小分子浓度、酶活性、蛋白质翻译后修饰及蛋白构象改变。此外,一些荧光蛋白所具有的独特特性使得这些荧光蛋白在适当的刺激下可经历结构的改变,打开荧光这个开光,或者荧光发射波长改变,从而能够脉冲标记细胞或分子亚群,实现复杂的动力学时空分析。本期生物通编辑带你去了解荧光蛋白目前的各种广泛用途及未来的有潜力的应用领域。



单体荧光蛋白

目前单体荧光蛋白被广泛应用于确定蛋白质定位和丰度,进而追踪细胞过程例如膜脂形成、细胞形状改变和组装和移动。此外,还可用作单链的成分或作为荧光共振能量转移(FRET)的供受体以及作为单细胞的填充物。



复合荧光蛋白

某些复合荧光蛋白比同样颜色的单体荧光蛋白要明亮得多,因而可用于报告基因表达和标记细胞,常被优先用于优化信噪比。主要应用是填充和追踪细胞。2007年科学家们利用多个复合和单体荧光蛋白“标记”了小鼠大脑中上百个细胞,一个个拖着长长神经纤维的神经细胞就像一个个五颜六色的风筝,整齐排布或者彼此相交。科学家们将小鼠命名为“Brainbow”(彩虹)小鼠。



可逆开关型荧光蛋白

某些荧光蛋白在光照下发光基团的构象会发生改变,自发逆转导致荧光亮度增高或降低,在某些情况下,当一种特殊的吸收峰形成时,新波长的光可加速这种逆转。这些蛋白常被作为探针用于基于单分子的超分辨显微检测中。



不可逆开关型荧光蛋白

某些荧光蛋白在光照下可发生结构的共价改变,从而在特异的波长下发光。其主要应用包括连接性追踪、蛋白扩散和超分辨显微检测



多成分感受器

不同于单一感受器用于检测蛋白质定位或丰度,复杂的报告系统是利用各种颜色的荧光蛋白同时标记多种蛋白质构建形成。例如日本RIKEN脑研究的科学家,利用荧光泛素化为基础的细胞周期指示剂和双色荧光探针,可以进行活体细胞周期定位分析,称为Fucci。此外还有一种特异的RNA标记物能够同时招募微弱互补的荧光片段与序列特异性的RNA结合蛋白相融合。这些自发互补的GFP片段在不同的细胞表达从而揭示细胞与细胞间的相互作用。



生色团调控感受器

在生色团调控感受器中,非共价键结构改变可影响单个荧光蛋白域的荧光性。而pH和氧化还原感受器,则是通过发光团或荧光蛋白β-桶装区的氨基酸进行传感。其他的感受器则是依靠从传感区到融合荧光蛋白区的构象改变进行传递。在大多数情况下,荧光改变都是由于发光团质子效应改变所致。例如lumenal  pHluorin感受器可用于分析突触小泡的胞吐作用。



FRET感受器

适用于各种信号和蛋白的FRET荧光蛋白感受器常被设计用于检测信号诱导构象改变,这些构象改变可以影响荧光蛋白间的荧光共振能量转移。例如磷酸化可以改变融合在末端的荧光蛋白的距离或定向,从而改变荧光共振能量转移。此外两种蛋白还可以信号依赖的方式相互作用,从而使得融合荧光蛋白间的荧光共振能量转移增强。这些设计适用于各种信号,例如用于检测激酶活性、组蛋白甲基化以及细胞内Ca2+和谷氨酸。



(生物通:何嫱)
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