绿色荧光蛋白GFP技术在细胞生物学研究中的应用
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种属的限制，其通过细胞内广泛存在的成分的作用或通过
自催化作用都能产生。荧光生色团非常稳定, 不易变性,
用酸、碱处理或者加入盐酸胍都不会使它失去荧光。但是
当pH 值恢复到中性或者移去变性物时，它的荧光又会恢 复到变性前的水平。GFP 的生色团之间是通过共价键结
合。生色团形成的机理目前尚不清楚，但在有分子氧存在
2 荧光稳定
GFP无光漂白现象，在很大的pH 范围内(pH7～ 12)都可以正常发出荧光，受温度的影响也很小， 只有在超过65℃时才会变性，荧光消失。荧光显 微镜强光照射下，GFP抗光漂白 (Photobleaching)能力比荧光素(fluorescein) 强[9]。特别在450～490 nm蓝光波长下更稳定, 但在340～390 nm或395～440 nm范围内，仍 会发生光漂白现象。对于长时间光照，GFP也有 很好的耐受性，根据Sheen 等的研究，GFP在受 体内表达时可以持续得到不低于10分钟的荧光。
一、GFP的结构
图2 绿色荧光蛋白结构
GFP编码238个氨基酸的多肽单体，只有完整的GFP 分子 才会产生生物荧光，被切断的GFP(即使是C、N 末端的少 数几个氨基酸)亦能导致GFP 失去发光能力[6]。与荧光 的产生直接有关的是GFP分子中一小段被称为荧光生色团 (Chromophore)的部位[7]。在GFP 的初级氨基酸序列 上，第65～67 个氨基酸(Ser-Tyr-Gty) 形成环状三肽， 以共价形式与GFP蛋白肽键骨架相连。生色团的形成不受
变体。通过基因操作，许多蛋白都成功的与GFP进行了融合，通过这 些融合蛋白就可以对相应蛋白的表达和转运及生理反应进行监控。目 前GFP融合蛋白对细胞内迅速的生理反应的报告大概有三种方式：转 移和定位、GFP光谱的生化修饰、荧光共振的能量转移(FRET)。 Shen[10]等在培养的神经元中发现，细胞内的Ca2+瞬间变化就会 引起GFP标记的钙调蛋白激酶Ⅱ(CaM KⅡ)可逆地易位到突触后膜的 densities上。Shi[11]等用GFP标记来监控α-氨基羟甲基恶唑丙酸 (AMPA)的受体，发现它会从细胞内膜转移到树突棘的表面，根据突 触中AMPA受体的含量可以解释突触沉默、活化的原因和机制。 Siegel[12〕等将野生型的GFP插人Shake K十通道的特殊部位，形 成一个异源嵌合体，这个嵌合体发出的荧光将会随着细胞的去极化作 用而缓慢的减少。相反，Yanagawa[13]等将β-内酰胺酶插人GFP得 到了一个融合体，当此融合体与β-内酰胺酶抑制肽(BLIP)结合时,它 的荧光发射量会大大增加。
绿色荧光蛋白(GFP )技术在 细胞生物学研究中的应用
荧光现象在许多海洋无脊椎动物中普遍存在着。许多刺胞
亚门的动物和几乎所有栉水母类的动物在受到刺激时都可
以发出荧光：刺胞亚门的动物多发射绿色荧光，而栉水母 类发射蓝色荧光。绿色萤光蛋白(green fluorescent protein)，简称GFP，它的发现和应用被称为细胞生物学 上的一次革命。这种蛋白质结构很特殊，在受到蓝光或紫
的条件下，酪氨酸氧化成脱氢酪氨酸，并环化形成六肽，
这可能是形成色基的必然过程。[8]
二、GFP 的应用特点
1 易于Leabharlann Baidu测
GFP荧光反应不需外加任何反应底物，酶或其它共反应因 子, 也就不存在这些物质可能难于进入细胞的问题，只需 紫外光或蓝光激发, 即可发出绿色荧光，GFP发射的荧光 用肉眼或荧光显微镜就可以检测到。灵敏度高, 对于单细 胞水平的表达也可识别, 同时还可利用其进行定量检测。 由于GFP 对活细胞基本无毒害, 因此无须特殊处理就可以 很方便地进行活体观察。而且，具有不同光谱特性的GFP 突变体的获得,使在同一细胞中同时分析两种不同蛋白或 启动子成为可能,可以用于发育细胞学、药物筛选、分析 诊断等研究。这就使GFP有可能成为一种快速、简便、经 济的标记蛋白，GFP基因作为报道基因可能有广泛的用途。
5 无毒害
Chalfie等的研究表明：GFP对生活细胞基 本无毒害，Sheen等(1995)的研究进一步 表明：在玉米中，即便GFP在细胞中的表达 量很高时，对细胞也不会产生明显毒害。 但是至今我们还不太了解它对植物再生能 力的影响。
三、GFP在细胞生物学研究中的应用
1 对细胞生理过程的监控 在过去的几年中，通过随机和人工诱变得到了许多不同颜色的GFP突
图1 绿色荧光蛋白
1962年Shimomura和Johnson等人[1]首先从一种水母 类动物Aequorea Victoria中分离纯化出了GFP, 1992年 Prasher[2]等克隆了GFP基因的cDNA并分析了GFP的一 级结构,1994年M.Chalfie[3]等最早用重组野生GFP型基 因做报告基因, 成功地在原核和真核生物中得到表达。90 年代后, 人们对GFP的性质和应用进行了不断深入的研究, 有关GFP 及其利用的研究进展较快，现在它已经发展成 了现代生物学研究的一个精确工具。目前在细胞生物学、 植物学、动物学、微生物学等学科研究中都有着相当广泛 的应用。随着人们对GFP发光机制研究的深入, 通过对其 发光团区域和其它区域进行随机诱变, 已经得到了许多 GFP突变型, 有的发蓝光或黄光而不是绿光[4]；有的发出 的荧光比野生型的强很多, 激发后很容易用肉眼观察到； 有的则是温度突变型, 其表达不受温度的限制[5]；有的突 变体则可以特异地在某些物种中高效表达。这些突变体极 大地拓宽了GFP的应用范围, 使GFP在细胞生物学和分子 生物学领域的应用显示出更为广阔和诱人的前景。
3 广谱性
首先表现在它的表达几乎不受种属范围的 限制，在微生物、植物、动物中都获得了 成功的表达；其次就是没有细胞种类和位 置的限制，在各个部位都可以表达，发出 荧光。
4 易于载体构建
由于GFP 较小，只含有238 个氨基酸，编 码GFP 的基因序列也较短，约2.6kb，所 以它可以很方便地同其它序列一起构建多 种质粒，而不至于使质粒过大影响转化频 率。尽管野生型的GFP在某些植物和动物中 表达很弱，但可通过更换GFP生色团氨基酸、 改变碱基组分、除去内含子、更换强启动 子等方法加强表达。Connack 等筛选出了 三种含Ser65 突变的突变体，在大肠杆菌 中表达时，荧光强度比野生型高约100倍。
外线刺激时可以发射绿色荧光，并不需要任何协同因子、
底物，适合用作普遍的报告标记，尤其适合于活体细胞或 组织。由于GFP稳定、灵敏度高、无生物毒性、荧光反应 不需要任何外源反应底物及表达无物种或细胞组织的专一 性, 检测简单， 结果真实可靠，是一种独特的报告蛋白 (Reporter protein) 。可广泛用于基因的表达与调控、 蛋白质的定位、转移及相互作用、信号传递、转染与转化, 以及细胞的分离与纯化等研究领域。
自催化作用都能产生。荧光生色团非常稳定, 不易变性,
用酸、碱处理或者加入盐酸胍都不会使它失去荧光。但是
当pH 值恢复到中性或者移去变性物时，它的荧光又会恢 复到变性前的水平。GFP 的生色团之间是通过共价键结
合。生色团形成的机理目前尚不清楚，但在有分子氧存在
2 荧光稳定
GFP无光漂白现象，在很大的pH 范围内(pH7～ 12)都可以正常发出荧光，受温度的影响也很小， 只有在超过65℃时才会变性，荧光消失。荧光显 微镜强光照射下，GFP抗光漂白 (Photobleaching)能力比荧光素(fluorescein) 强[9]。特别在450～490 nm蓝光波长下更稳定, 但在340～390 nm或395～440 nm范围内，仍 会发生光漂白现象。对于长时间光照，GFP也有 很好的耐受性，根据Sheen 等的研究，GFP在受 体内表达时可以持续得到不低于10分钟的荧光。
一、GFP的结构
图2 绿色荧光蛋白结构
GFP编码238个氨基酸的多肽单体，只有完整的GFP 分子 才会产生生物荧光，被切断的GFP(即使是C、N 末端的少 数几个氨基酸)亦能导致GFP 失去发光能力[6]。与荧光 的产生直接有关的是GFP分子中一小段被称为荧光生色团 (Chromophore)的部位[7]。在GFP 的初级氨基酸序列 上，第65～67 个氨基酸(Ser-Tyr-Gty) 形成环状三肽， 以共价形式与GFP蛋白肽键骨架相连。生色团的形成不受
变体。通过基因操作，许多蛋白都成功的与GFP进行了融合，通过这 些融合蛋白就可以对相应蛋白的表达和转运及生理反应进行监控。目 前GFP融合蛋白对细胞内迅速的生理反应的报告大概有三种方式：转 移和定位、GFP光谱的生化修饰、荧光共振的能量转移(FRET)。 Shen[10]等在培养的神经元中发现，细胞内的Ca2+瞬间变化就会 引起GFP标记的钙调蛋白激酶Ⅱ(CaM KⅡ)可逆地易位到突触后膜的 densities上。Shi[11]等用GFP标记来监控α-氨基羟甲基恶唑丙酸 (AMPA)的受体，发现它会从细胞内膜转移到树突棘的表面，根据突 触中AMPA受体的含量可以解释突触沉默、活化的原因和机制。 Siegel[12〕等将野生型的GFP插人Shake K十通道的特殊部位，形 成一个异源嵌合体，这个嵌合体发出的荧光将会随着细胞的去极化作 用而缓慢的减少。相反，Yanagawa[13]等将β-内酰胺酶插人GFP得 到了一个融合体，当此融合体与β-内酰胺酶抑制肽(BLIP)结合时,它 的荧光发射量会大大增加。
绿色荧光蛋白(GFP )技术在 细胞生物学研究中的应用
荧光现象在许多海洋无脊椎动物中普遍存在着。许多刺胞
亚门的动物和几乎所有栉水母类的动物在受到刺激时都可
以发出荧光：刺胞亚门的动物多发射绿色荧光，而栉水母 类发射蓝色荧光。绿色萤光蛋白(green fluorescent protein)，简称GFP，它的发现和应用被称为细胞生物学 上的一次革命。这种蛋白质结构很特殊，在受到蓝光或紫
的条件下，酪氨酸氧化成脱氢酪氨酸，并环化形成六肽，
这可能是形成色基的必然过程。[8]
二、GFP 的应用特点
1 易于Leabharlann Baidu测
GFP荧光反应不需外加任何反应底物，酶或其它共反应因 子, 也就不存在这些物质可能难于进入细胞的问题，只需 紫外光或蓝光激发, 即可发出绿色荧光，GFP发射的荧光 用肉眼或荧光显微镜就可以检测到。灵敏度高, 对于单细 胞水平的表达也可识别, 同时还可利用其进行定量检测。 由于GFP 对活细胞基本无毒害, 因此无须特殊处理就可以 很方便地进行活体观察。而且，具有不同光谱特性的GFP 突变体的获得,使在同一细胞中同时分析两种不同蛋白或 启动子成为可能,可以用于发育细胞学、药物筛选、分析 诊断等研究。这就使GFP有可能成为一种快速、简便、经 济的标记蛋白，GFP基因作为报道基因可能有广泛的用途。
5 无毒害
Chalfie等的研究表明：GFP对生活细胞基 本无毒害，Sheen等(1995)的研究进一步 表明：在玉米中，即便GFP在细胞中的表达 量很高时，对细胞也不会产生明显毒害。 但是至今我们还不太了解它对植物再生能 力的影响。
三、GFP在细胞生物学研究中的应用
1 对细胞生理过程的监控 在过去的几年中，通过随机和人工诱变得到了许多不同颜色的GFP突
图1 绿色荧光蛋白
1962年Shimomura和Johnson等人[1]首先从一种水母 类动物Aequorea Victoria中分离纯化出了GFP, 1992年 Prasher[2]等克隆了GFP基因的cDNA并分析了GFP的一 级结构,1994年M.Chalfie[3]等最早用重组野生GFP型基 因做报告基因, 成功地在原核和真核生物中得到表达。90 年代后, 人们对GFP的性质和应用进行了不断深入的研究, 有关GFP 及其利用的研究进展较快，现在它已经发展成 了现代生物学研究的一个精确工具。目前在细胞生物学、 植物学、动物学、微生物学等学科研究中都有着相当广泛 的应用。随着人们对GFP发光机制研究的深入, 通过对其 发光团区域和其它区域进行随机诱变, 已经得到了许多 GFP突变型, 有的发蓝光或黄光而不是绿光[4]；有的发出 的荧光比野生型的强很多, 激发后很容易用肉眼观察到； 有的则是温度突变型, 其表达不受温度的限制[5]；有的突 变体则可以特异地在某些物种中高效表达。这些突变体极 大地拓宽了GFP的应用范围, 使GFP在细胞生物学和分子 生物学领域的应用显示出更为广阔和诱人的前景。
3 广谱性
首先表现在它的表达几乎不受种属范围的 限制，在微生物、植物、动物中都获得了 成功的表达；其次就是没有细胞种类和位 置的限制，在各个部位都可以表达，发出 荧光。
4 易于载体构建
由于GFP 较小，只含有238 个氨基酸，编 码GFP 的基因序列也较短，约2.6kb，所 以它可以很方便地同其它序列一起构建多 种质粒，而不至于使质粒过大影响转化频 率。尽管野生型的GFP在某些植物和动物中 表达很弱，但可通过更换GFP生色团氨基酸、 改变碱基组分、除去内含子、更换强启动 子等方法加强表达。Connack 等筛选出了 三种含Ser65 突变的突变体，在大肠杆菌 中表达时，荧光强度比野生型高约100倍。
外线刺激时可以发射绿色荧光，并不需要任何协同因子、
底物，适合用作普遍的报告标记，尤其适合于活体细胞或 组织。由于GFP稳定、灵敏度高、无生物毒性、荧光反应 不需要任何外源反应底物及表达无物种或细胞组织的专一 性, 检测简单， 结果真实可靠，是一种独特的报告蛋白 (Reporter protein) 。可广泛用于基因的表达与调控、 蛋白质的定位、转移及相互作用、信号传递、转染与转化, 以及细胞的分离与纯化等研究领域。