美妙的生物荧光分子与好奇的生物化学家

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1、饶毅署名文章《美妙的生物荧光分子与好奇的生物化学家》 下村修做出应获诺贝尔奖工作的科学家，几十年默默无闻；  被广泛应用的分子，很少人知其发现者；原始论文鲜为人知，后继论文倒很热门；  曾失明的人，发现了美丽的发光蛋白；低调的父亲，出了高调的儿子。 这里简介一项生物化学研究，讲一个科学家的故事，还讨论一个问题：是否活着的科学家中还有因好奇而做科学研究？ 本文和我2002年一篇文章相同，不是预测诺贝尔奖，而是介绍值得获奖的工作。名单上不包括可以获奖、但其工作不值得获奖者。相反，本文的主人公可能被埋没得不到奖，但他的工作

2、很值得介绍。 生物发光和荧光蛋白 现在研究生物的人，几乎都知道绿色荧光蛋白（GFP），但常常不知或搞错其发现者。毫无争议的发现者是日裔美国科学家下村修（OsamuShimomura，下村脩）和已故美国科学家约翰森（FrankH.Johnson）。他们1961到1974年发现两种发光的蛋白质：水母素（aequorin）和GFP。 水母素生物发光现象，下村修和约翰森之前就有人研究。萤火虫发荧光，是由荧光酶（luciferase）作为酶催化底物分子荧光素（luciferin），有化学反应如氧化，以后产生荧光。而发现蛋白质本

3、身发光，无需底物，起源于下村修和约翰森的研究。 下村修和约翰森用过几种实验动物，和本故事相关的是学名为Aequoreavictoria的水母。1962年，下村修和约翰森等在《细胞和比较生理学杂志》上报道，他们分离纯化了水母中发光蛋白水母素。据说下村修用水母提取发光蛋白时，有天下班要回家了，他把产物倒进水池里，临出门前关灯后，回头看一眼水池，结果见水池闪闪发光。因为养鱼缸的水也流到同一水池，他怀疑是鱼缸排出的成分影响水母素，不久他就确定钙离子增强水母素发光。1963年，他们在《科学》杂志报道钙和水母素发光的关系。196

4、7年Ridgway和Ashley提出检测钙的新方法：用水母素。钙离子是生物体内的重要信号分子，水母素成为第一个有空间分辨能力的钙检测方法，是目前仍用的方法之一。 1955年Davenport和Nicol发现水母可以发绿光，但不知其因。1962年下村修和约翰森那篇纯化水母素的文章中，有个注脚，说还发现了另一种蛋白，它在阳光下呈绿色、钨丝下呈黄色、紫外光下发强烈绿色。其后他们仔细研究了其发光特性。1974年，他们得到了这个蛋白，当时称绿色蛋白、以后称绿色荧光蛋白（GFP）。Morin和Hastings提出水母素和GFP之

5、间可以发生能量转移。水母素在钙刺激下发光，其能量可转移到GFP，刺激GFP发光。这是物理化学中已知的荧光共振能量转移(FRET)在生物中的发现。 下村修本人对GFP的应用前景不敏感，也未意识到应用的重要性。他离开普林斯顿到WoodsHole海洋研究所后，他的同事普瑞舍(DouglasPrasher)非常感兴趣用荧光蛋白做生物示踪分子。1985年普瑞舍和日裔科学家SatoshiInouye分别根据蛋白质序列拿到了水母素的基因（生物学上准确地说是cDNA）。1992年，普瑞舍又拿到GFP的基因。有了cDNA，一般生物学研

6、究者就很容易应用，比用蛋白质方便多了。 普瑞舍1992年发表GFP基因的文章后，离开科学界。原因是他申请美国国家科学基金时，评审者说没有蛋白质发光的先例，就是他找到了这种蛋白，也没什么价值。一气之下，他离开学术界去麻省空军国民卫队基地，到农业部动植物服务部工作。当时他如果花几美元，就可以做一个一般研究生都能做，但非常漂亮的工作：将来自水母的GFP基因放到其他生物体内（如细菌），看到荧光，可以很强烈地提示GFP本身可以发光，无需其他底物、或者辅助分子，也表明可以广泛用GFP。 将GFP表达到其他生物体这项工作，1994

7、年由两个实验室独立进行：美国哥伦比亚大学做线虫的MartyChalfie实验室，和加州大学圣迭哥分校、Scripps海洋研究所的两位日裔科学家Inouye和Tsuji。 水母素和GFP都有重要的应用。但水母素仍是荧光酶的一种，它需荧光素。而GFP是蛋白质本身发光，原理上不同。 Chalfie的文章立即引起轰动，很多生物学研究者接着纷纷将GFP引入自己的系统。当时好些《自然》、《科学》文章，证明那里表达GFP，那里就有绿光，这些后续文章不过是跟风，上了《自然》也不证明有原创性。钱永健 1994年，华裔美国科学家钱永健（

8、RogerYTsien）开始改造GFP，有多项发现。世界上目前使用的荧光蛋白大多是钱永健实验室改造后的变种，有的荧光更强，有的呈黄色、蓝色，有的可激活、可变色。用一些不常用做研究样本的生物找有颜色的蛋白成为一些人的爱好。不过真发现的有用东西并不很多。成功的例子有俄国科学院生物有机化学研究所SergeyA.Lukyanov实验室从珊瑚里发现的其他