生物科技

照亮細胞的綠色螢光蛋白

綠色螢光蛋白這種在水母中發現的特殊蛋白質,是近年來進展迅速的科學工具,細微到可研究細胞中蛋白質的作用,或大到偵測環境中的重金屬,應用範圍很廣。對於綠色螢光蛋白有重大貢獻的科學家,今年也受到諾貝爾獎的肯定。

撰文/龐中培

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照亮細胞的綠色螢光蛋白

綠色螢光蛋白這種在水母中發現的特殊蛋白質,是近年來進展迅速的科學工具,細微到可研究細胞中蛋白質的作用,或大到偵測環境中的重金屬,應用範圍很廣。對於綠色螢光蛋白有重大貢獻的科學家,今年也受到諾貝爾獎的肯定。

撰文/龐中培


生命科學的進步,常仰賴其他科學領域的發明或技術,例如電子顯微鏡讓科學家能夠觀察細胞的細微構造、蛋白質定序與DNA定序成為分子生物學的基本工具、聚合?連鎖反應(PCR)從考古學到鑑識科學都用得到。這些重大的成就陸續獲得了諾貝爾物理獎或化學獎的肯定,而今年獲得諾貝爾化學獎的成就:綠色螢光蛋白(green fluorescent protein, GFP),也為生命科學打開了新的視野。這種蛋白質從發現至今40多年了,但直到近10多年來才有廣泛的應用。   綠色螢光蛋白是由日裔化學家下村脩在1961年從維多利亞管水母(Aequorea vicotria)中發現的。下村脩在日本獲得博士學位的研究是關於海洋節肢動物海螢(Cypridina)中的發光蛋白,後來他被延攬到美國普林斯頓大學,研究對象換成了維多利亞管水母,因而發現了GFP。這種蛋白質在紫外光的照射下會發出綠色螢光,因而得名。   大部份能夠發出螢光的蛋白質,通常需要其他分子的協助,例如螢火蟲體內的螢光酵素(luciferase)必須催化螢光素(luciferin)與氧氣結合,再由高能分子ATP提供能量,才會發出螢光;有的發光的部位並非蛋白質本身,而是其他的分子,這類系統比較複雜,如果要在細胞內發出螢光,除了需要活化酵素的基因之外,還得合成其他的分子。GFP特殊之處在於它既不需要能量分子,也不必與其他分子結合,只要受到紫外光或是藍光照射,就會發光。


一個基因就讓線蟲發光


下村脩雖然在1970年代持續研究GFP的細節,但是當時分子生物學的研究才剛起步,而且許多生物發出螢光的機制也陸續揭開,因此GFP並沒有受到太多注意。直到1988年,專門研究線蟲(Caenorhabditis elegans)的生物學家喬非(Martin Chalfie)在一次演講中得知有這種蛋白質之後,就有了利用它的點子。線蟲是透明的,只有數毫米長,全身只有900多個細胞,但是五臟俱全,是科學家最常使用的研究模式生物之一。喬非設想,如果能把GFP的基因連接到線蟲其他基因的開關、或是放在其他蛋白質的基因之後一起活化,產生GFP,那麼GFP的螢光就能成為這些基因活動的指標。   當時GFP的基因還沒有找到,不過美國伍茲赫爾海洋研究所的普萊雪(Douglas Prasher)已在進行,幾年後普萊雪成功了,便將選殖出的基因給了喬非。喬非的團隊先在大腸桿菌中測試這個基因的效果。果然,大腸桿菌只要有了GFP的基因,在紫外光照射下便會發出綠光。喬非隨後將這個基因運用在他熟悉的線蟲上,並於1994年發表研究成果:將GFP的基因放到線蟲觸覺受器神經元(touch receptor neuron)中特別活躍的基因啟動子後,在顯微鏡下,線蟲的這些神經元果然發出綠色的光芒。   這個成功的應用,為生物學指出了一條明路,現在科學家有了這一項利器在手,能夠觀察特定細胞中個別基因的活動,例如只要將GFP的基因放在與多巴胺合成相關的基因之後,就可找出哪些細胞能夠製造多巴胺。甚至利用遺傳工程技術讓GFP基因接在蛋白質產物上(這是分子生物學的基本技術),觀察蛋白質在細胞中的活動與分佈。如果把能和鈣離子結合的蛋白質鈣調素(calmodulin)和GFP連接在一起,由於鈣調素與鈣離子結合時形狀會改變,進而影響GFP的發光能力,如此就能顯示細胞中鈣離子的濃度變化。這些放入GFP基因的細胞沒有經過化學固定、不需要加入其他物質才能顯色,是最接近原始狀況的細胞。


彩虹般的螢光蛋白家族


但這個時候的GFP還有一些缺點:發光的時間有限、光的亮度不足,發出的顏色也只有綠色,如果利用GFP來探究一個細胞中兩種或多種蛋白質之間的交互作用,就派不上用場。GFP長得像個罐子,能讓這個蛋白質發光的發色團(chromophore)位於罐子中央(見上方〈螢光的秘密〉)。美國加州大學聖地牙哥分校的化學家錢永健深入探索GFP發色團的作用原理,發現第65、66、67個胺基酸結合形成發色團時,只需要氧氣就夠了,而且發色團所處的環境會影響吸收與發出的光。在釐清GFP的發光原理之後,錢永健著手改變GFP上的一些胺基酸,讓改造後的GFP能夠吸收不同波長的光,同時發出的光不但更強、更持久,而且顏色也不同,有青綠色、藍色和黃色等,能讓研究者用不同的GFP標示不同的基因,以研究這些基因與其產物之間的關聯,甚至測定細胞中的離子濃度。另外,錢永健也改造了從珊瑚(和水母一樣屬於刺絲胞動物)中找到的紅色螢光蛋白,使得螢光蛋白的家族成員更多采多姿。   現在,許多生物學實驗都用到GFP(見82頁〈用雷射遙控果蠅〉),下村脩、喬非與錢永健也因為對GFP研究的貢獻,於今年獲頒諾貝爾化學獎。普萊雪雖然未能並列獲獎,但是他表示能夠參與其中,就感到榮幸了。年年諾貝爾獎揭曉,總是幾家歡樂幾家愁,但不變的是得獎的研究成果都成為其他研究的基石,支持著科學的進展。


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