基因园 2003年2月第16期
新技术

点亮灯光:应用 Aequorea Victoria GFP蛋白在活体细胞中进行自动药物筛选
E.P.Roquemore*, O. Thastrup+, I.D.Goodyer*, and L.J.Pagliaro+
*Amersham Biosciences, The Marynard Centre, Cardiff, UK,+BioImage, Copenhagen, Demark

  一直以来,细胞信号传导机制的研究局限于体外方法或免疫荧光技术,这都是在固定的死细胞上进行的。到了90年代,绿色荧光蛋白(GFP)技术的出现带来了细胞生物学的革命,使得科研人员不需化学染色,就能实时地在活细胞中研究信号传导活动。在自动筛选中,为了尽可能地开发利用GFP,就必需先进的成像仪器和蛋白运动的定量技术。而以前难以驾御的目标,现在可以用各种化合物处理后,通过GFP标记的蛋白来定量测量实时位移。通过此方法,GFP能用来详细地勾画出活体细胞内蛋白的分布、转运及功能,也能用于评价在细胞环境中药物分子怎样影响这些过程的。

介绍
   早在公元一世纪,罗马自然历史学家Pliny报告说,来自水母“Pulmo marinus”的粘滑物质,涂抹在手杖上,能“象火炬一样照明指路”。在这现象第一次被描述的二千年后,分子生物学家克隆了绿色荧光蛋白的DNA,这蛋白正是水母体内发光的原因(1)。此项工作导致了细胞生物学上革命性的创新,研究人员能创造出各种能在黑暗中发光的蛋白,并能在活体细胞中观察蛋白的移动。但是此技术在药物开发的应用期待先进的细胞自动成像仪器,及其附带的能测量胞内蛋白运动的复杂方法。

水母照亮道路
  如水母和珊瑚,许多发光海洋生物都带有GFP,这是在黑暗的海水中发光机制的部分原因。从这些生物中分离出的GFP都具有相似的蛋白和DNA序列,表明起源于一个共同的祖先蛋白。最广泛使用和了解透彻的GFP家族来自太平洋西北部海岸线的水母Aequorea Victoria(Av) 。

所有的GFP蛋白都有一个由三条氨基酸链组成的内在荧光基团。这种荧光基团的显著优势在于它不需外源底物或辅助因子的协助就能产生荧光,使得活细胞的检测无需添加辅助因子、底物或化学染料(2)。最近,通过对AvGFP荧光基团中一个影响结构和功能的重要氨基酸的改变,AvGFP在哺乳动物细胞中的性能大大超越天然蛋白。BioImage公司发现并申请专利了一系列GFP类似物,它们在37摄氏度时能比天然AvGFP产生更强的荧光。另外,其它突变体被鉴定出改变了激发光波长,从而改变了颜色或提高了亮度。所以,作为研究和药物开发的工具,这些GFP类似物大大延伸了其应用范围。但是,复杂的专利状态也限制商业组织对AvGFP的使用。因此,Amersham Biosciences 、BioImage 和Aurora Biosciences三家公司联合了专利文件,从而使得商业组织能方便地使用一些AvGFP突变体。

GFP指明细胞的流程
  细胞内,通过有限的一些分子相互组合地活动,信号传导得到精密调控。正是相互作用的复合体中蛋白的不同组合,及其这些分子接收多种信号的能力,使得有限的蛋白能产生成千上万的不同输出,或行为变化。
在实时观测活细胞体内信号蛋白的活动时候,GFP作为荧光标记得到广泛使用。实际上,任何有兴趣研究的蛋白都能通过遗传融合表达的方法,融合GFP基因,使目标蛋白带上了GFP荧光标记。这种GFP融合蛋白能用来显示调节各种细胞流程的分子信号传导机制。

蛋白转移和细胞信号传导
  蛋白在信号复合体和细胞内不同区域之间的转移,正是复杂的信号传导网络协作的基础。细胞必须仔细设计和调节这些蛋白的运动 , 这种调控是具时间性和空间性的,并有高度的保真性。
  各种信号传导的路径之间不是独立的,而是相互作用的,从而形成多种反馈和自我调节机制。短暂的信号相互作用可能需要其它影响因素的引发,例如一定程度的钙离子或其它第二信使分子。假如没有反馈和调节的互补,及分子结合和干预的正确平衡,组成分子的活动就不可能反应在自然细胞中的行为中。因此,活体细胞是唯一的生理系统,其中能抓拍到众多重要现象的发生。
  许多转移的发生是非常短暂的,在几秒的刺激后就达到顶峰,并且迅速回到基线。这种现象的瞬时性,注定用免疫荧光的方法在固定的死细胞中非常困难或根本不可能看到这些现象。
  所以,在活细胞中实时显像技术是非常重要的,它使得蛋白相互作用的研究真正应用到药物筛选中。GFP被用作检测活细胞内蛋白实时移动的工具,正是由于它能以最小的破坏方式在细胞中显现出蛋白重新分布。

BioImage的重新分配检测
  BioImage公司已经发展了复杂的专利技术,用来追踪活细胞中信号复合体间蛋白相互作用和实时运转过程。由于GFP结合在目标蛋白上,此技术正是建立在测量GFP发光分布基础上的。
  细胞活动导致了胞内GFP标记蛋白的重新分布(图1)。转移的几率、程度和时间长短可能变化很大,这取决于刺激的强弱和信号分子的自然特性。Redistribution?分析试剂就是设计用来对特殊信号蛋白的时空性运动进行定量测量。
  Amersham Biosciences与BioImage 合作,已经开发了一系列GFP移位分析试剂盒(表1)。每个试剂盒都带有一个稳定表达GFP标记蛋白的克隆细胞株,和一个含GFP cDNA序列的质粒。在以后的二年内,两公司将继续合作开发其它11种试剂盒。

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