科學(xué)家開發(fā)出新型熒光標(biāo)記工具

日期：2011-08-08 08:11:26

1962年科學(xué)家們首先在水母體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了綠色熒光蛋白（GFP），從那以后，這種神奇的蛋白質(zhì)成為生物學(xué)功能研究的重要工具之一。在綠色熒光蛋白的幫助下，研究人員不僅能夠成像觀測基因表達和蛋白質(zhì)動態(tài)，還可以檢測細胞內(nèi)離子和小分子濃度、酶活性，標(biāo)記細胞或分子亞群，實現(xiàn)復(fù)雜的動力學(xué)時空分析。這一突破性的科學(xué)成果以其在后續(xù)數(shù)十年的生命科學(xué)研究中發(fā)揮的巨大作用，而獲得了2008年度的諾貝爾化學(xué)獎。

近日來自美國威爾康乃爾醫(yī)學(xué)院（Weill Cornell Medical College ）的研究人員稱他們開發(fā)了一種可以跟GFP蛋白媲美的新型熒光工具，這種被命名為“Spinach”的RNA-熒光基團復(fù)合物可用于追蹤細胞內(nèi)各種RNA的功能動態(tài)。這一新技術(shù)將幫助科學(xué)家們揭開與人類生命活動及疾病相關(guān)的RNA的神秘面紗。論文發(fā)表于《科學(xué)》雜志。

“Spinach為我們提供了一個重要的研究工具，幫助了解RNA在生物學(xué)中的各種功能，”文章的資深作者、威爾康乃爾醫(yī)學(xué)院藥理學(xué)系副教授Samie Jaffrey博士說。

近年來，隨著生物學(xué)研究的飛速發(fā)展，RNA在生命活動中所行使的多種生物功能及作用機制不斷獲得深入解析?！斑^去科學(xué)家們認為RNA的功能僅僅是參與蛋白質(zhì)生物合成，蛋白質(zhì)是細胞所有生命活動的唯一物質(zhì)基礎(chǔ)，”Samie Jaffrey說：“然而現(xiàn)在我們知道細胞中存在多種不同類型的RNA，其中一些RNA并不參與蛋白質(zhì)的合成，而主要是對細胞內(nèi)信號傳導(dǎo)和基因表達起重要的調(diào)控作用?！?/DIV>

在過去的幾年里，RNA分類研究不斷取得突破性進展，在揭開編碼蛋白質(zhì)的信使RNA（mRNA）之后，研究人員又發(fā)現(xiàn)了多種影響翻譯及基因表達的“非編碼”RNA，并證實某些情況下這些RNA可直接與蛋白質(zhì)結(jié)合對其功能進行調(diào)控。然而一直以來科學(xué)家們對于這些RNA的作用機制卻知之甚少。

鑒于GFP蛋白在細胞內(nèi)蛋白質(zhì)功能研究中的廣泛應(yīng)用，Jaffrey研究小組提出了一個奇妙的設(shè)想：能否開發(fā)出一種具有GFP相似功能的熒光RNA復(fù)合物，用于細胞內(nèi)RNA的動態(tài)研究。

在新研究中，Jaffrey研究小組的科研人員利用RNA能夠折疊形成復(fù)雜三維形狀的特性，構(gòu)建了兩個新實體（entities）：一段顯示特異形狀的合成RNA序列，以及一個與RNA結(jié)合后發(fā)射熒光的小分子?！霸谶@一研究中，我們面臨著兩個巨大的挑戰(zhàn)，”Jaffrey博士說，“第一是要獲得能夠激活小分子的RNA序列，第二則是要找到能夠進行時間控制且對細胞無毒性作用的熒光小分子?！?/DIV>

Jaffrey等對多種分子進行了嘗試性實驗，其中大部分由于會與細胞膜上的油脂結(jié)合發(fā)射熒光或本身具有細胞毒性而無法將其用于構(gòu)建理想的熒光分子。最終，研究人員發(fā)現(xiàn)GFP蛋白中就包含了他們一直想尋找的分子——一種熒光基團。于是研究人員根據(jù)這一熒光基團的形狀合成了一些化學(xué)分子，并在隨后構(gòu)建了一條能夠銜接這些化學(xué)分子的人工RNA序列。研究人員將他們第一個成功構(gòu)建的“RNA-熒光基團”復(fù)合物命名為“Spinach”。在進一步的實驗中，研究人員再度成功構(gòu)建出與Spinach發(fā)射不同熒光波長的多個“RNA-熒光基團”復(fù)合物。

目前威爾康乃爾醫(yī)學(xué)院的研究人員已開始利用Spinach追蹤細胞中的非編碼RNA?！拔覀儗嶒炇议L期以來致力于解析RNA運輸及移位缺陷與兒童發(fā)育性疾病之間的關(guān)系，通過Spinach，我們觀察到在細胞壓力應(yīng)激反應(yīng)中一種非編碼RNA發(fā)生了快速的積聚。”Jaffrey博士說：“我們希望通過Spinach能夠更深入地了解細胞中的RNA運輸機制，以及它們在疾病中的受累情況。”

文章的第一作者Jeremy Paige博士表示：“目前在生物學(xué)中還存在大量圍繞RNA的謎題。在過去科學(xué)家們證實熒光標(biāo)記成像技術(shù)是一種非常強大的研究工具，我們期望Spinach也能像GFP一樣開啟一條科學(xué)研究的新途徑幫助加速研究發(fā)現(xiàn)。”