备课素材：绿色荧光蛋白（GFP）的研究史-2022-2023学年高一下学期生物人教版必修2

绿色荧光蛋白(GFP)的研究史 先看一道试题： GFP是水母体内存在的能发绿色荧光的一种蛋白。科研人员以 GFP基因为材料，利用基因工程技术获得了能发其他颜色荧光的蛋 白，丰富了荧光蛋白的颜色种类。回答下列问题。 (1)构建突变基因文库，科研人员将GFP基因的不同突变基因分 别插入载体，并转入大肠杆菌制备出GFP基因的突变基因文库。通 常，基因文库是指。 (2)新蛋白与突变基因的关联性分析。将上述发黄色荧光的大肠杆 菌分离纯化后，对其所含的GFP突变基因进行测序，发现其碱基序 列与GFP基因的不同，将该GFP突变基因命名为YFP基因（黄色 荧光蛋白基因)。若要通过基因工程的方法探究YFP基因能否在真 核细胞中表达，实验思路是 答案：(I)将含有某种生物不同基因的许多DNA片段，导入 受体菌的群体中储存，各个受体菌分别含有这种生物的不同的基因 (2)将构建好的表达载体（含有目的基因YFP基因）导入酵母菌 中进行表达 解析：有关密码子，考生可从以下几方面把握： ①概念：密码子是mRNA上相邻的3个碱基。 ②种类：64种，其中有3种是终止密码子，不编码氨基酸。 1962年，下村修和弗兰克·约翰逊从约10万只的水母（这些 水母几乎全由下修村和其家人自己采集)中纯化出发光蛋白，命名 为水母发光蛋白，并阐明了它之所以发光的机理。他们发现水母发 光蛋白存在于水母的发光器官中，它与细胞内的钙离子结合后分解 变成脱辅水母发光蛋白和氧化荧光素，发出蓝色的光（特征峰波长 是460nm)。但这却与水母自身发出的绿光颜色不同，一定还有 别的物质与水母发光机理有关。经过几个月的研究，他们终于成功 地分离提取出了绿色荧光蛋白质(GFP),原来是水母发光蛋白与GFP 形成了复合体的缘故。 1974年，下村修和弗兰克·约翰逊经过研究，终于弄清楚碗水 母的发光机理是这样的，水母发光蛋白吸收钙离子后发出蓝光，该 蓝光激发GFP发出波长为508nm的绿色荧光。这个反应被称为“荧 光共振能量转移”。但在当时，他们并没有想到GFP有什么应用价 值。 1987年一1992年，生物化学研究者道格拉斯·普蜡石对GFP 发出绿色荧光这一特性很感兴趣，思考如果把G「P与其他的物质相 结合，那它会不会就成了调查生物体内的组织和细胞举动的示踪物 质呢？普蜡石潜心研究5年，在1992年成功解读了GFP遗传基因。 可惜的是由于研究经费的问题，他没有完成最初设定的目标。 1992年一1994年，哥伦比亚大学的生物学家马丁查尔菲通 过普蜡石拿到了GFP遗传基因。查尔菲通过分子生物学的方法，将 绿色荧光蛋白的CDNA导入到大肠杆菌、线虫等模式生物并成功使 其得到表达，在紫外线的照射下，发出绿光。而且，这样处理后的 生物并没有发生异常，证明了GFP的示踪物质作用。1994年，这 个研究结果发表后，GFP一下子变得众所周知，关于它的研究也霎 时成为时代的宠儿。 1994年，加利福尼亚大学圣地亚哥分校生物学药学部的钱永 健教授通过改良GFP遗传基因而稍微改变了氨基酸的序列，开发出 了光的波长虽然相同，还是在绿光的范围内，但光的强度却得以提 高的改良型GFP。 1998年，钱永健教授又改良了氨基酸的序列，开发出了荧光 波长变长或变短，能发出不同颜色的光的变异型GFP。这些变异型 可以做到虽然在同一个细胞里，却可以根据发光颜色的不同来同时 显示多个蛋白质的不同机能。 如果把到目前为止GFP发现、发展的过程比喻为电视技术的话， 下村修发现，普蜡石和沙尔菲发展应用的绿色GFP相当于初期的黑 白电视，而钱永健开发的多色荧光蛋白质就相当于彩色电视。 普通的蛋白质在植入了作为异物的荧光蛋白质之后，它本来的 机能还能完全发挥出来么，有没有因此而引发异常的可能性呢，这 些问题都还没有得到确认。 2008年，诺贝尔化学奖颁给了在绿色荧光蛋白的发现以及改 造方面做出突出贡献的三位科学家，他们分别是化学家下村修教授、 哥伦比亚大学的马丁·查尔菲教授和美国的钱永健教授。