Открытие и изучение флуоресцентных белков

Открытие и изучение флуоресцентных белков. Первым упоминанием флуоресцентных белков можно считать статью, авторами которой являлись американо-японский биолог Симомура Осаму, американский биолог Фрэнк Джонсон и ассистентка последнего Сайга Ё (Shimomura. 1962^[1]). В статье указано различие цветов свечения живой медузы Aequorea victoria – зелёного – и выделенного из неё люминесцентного комплекса с белком экворином – синего. Учёные выяснили, что энтодермальные клетки медузы помимо экворина содержат другой белок, который назвали «зелёным флуоресцентным белком» (green fluorescent protein, GFP). В организме медузы димеры GFP соседствуют с молекулами эквoрина, и энергия возбуждения экворина безызлучательно переносится на GFP, обеспечивая зелёное свечение живой медузы вместо синего. Спустя 30 лет ген GFP был клонирован и секвенирован американским молекулярным биологом Д. Прашером (Primary structure ... 1992^[2]).

После встречи Симомуры Осаму с американским нейробиологом Мартином Чалфи на одном из семинаров в Колумбийском университете (Нью-Йорк), в группе последнего была проведена успешная работа по экспрессии GFP в эукариотических клетках. В 1994 г. фотография флуоресцентной нематоды Caenorhabditis elegans из статьи Чалфи была вынесена на обложку журнала Science – GFP был использован в качестве первой в мире генетически кодируемой метки в двигательных нейронах нематоды (Green fluorescent protein ... 1994^[3]).

В конце 1990-х гг. к поиску флуоресцентных белков других цветов (отличных от зелёного) подключилась лаборатория Института биоорганической химии (ныне Институт биоорганической химии имени академиков М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН), которой руководил известный российский биохимик С. А. Лукьянов. По предложению российского биолога Ю. А. Лабаса поиск флуоресцентных белков проводили в коралловых полипах, а не в медузах. В 1999 г. под руководством Лукьянова вышла статья в журнале Nature Biotechnology с описанием клонированных сотрудниками его лаборатории М. В. Матцем и А. Ф. Фрадковым флуоресцентных белков из коралловых полипов, в том числе жёлтого и первого в мире красного вариантов (Fluorescent proteins ... 1999^[4]).

Лукьянов и его коллеги открыли и описали множество флуоресцирующих и окрашенных белков в морских организмах, которые не обладают биолюминесценцией, например в актиниях Anemonia majano и Anemonia sulcata и мягких кораллах Clavularia, Zoanthus и Discosoma (Matz. 2002^[5]; Discovery and properties ... 2006^[6]).

В 2008 г. Нобелевскую премию по химии за открытие и разработку применения зелёного флуоресцентного белка получили Симомура Осаму, Мартин Чалфи, а также американский фармаколог Цянь Роджер Юнцзянь. Последний методом мутагенеза синтезировал другие цветовые варианты GFP – циановый и жёлтый, а также разработал различные сенсоры на их основе (Heim. 1994; Bcl-2-mediated alterations ... 2004).

В течение двух десятилетий методами случайного и направленного мутагенеза получены белки, цвета флуоресценции которых – от синего цвета до дальнекрасного – покрывают весь спектр видимого излучения. Однако семейством GFP-подобных белков разработки не ограничились: позже были получены флуоресцентные белки других типов, в которых белковая глобула связывает хромофорную группу, уже присутствующую в клетке, например флавинмононуклеотид, биливердин или билирубин (Novel uses ... 2015^[7]).

↑ Shimomura O. Extraction, purification and properties of aequorin, a bioluminescent protein from the luminous hydromedusan, Aequorea / O. Shimomura, F. H. Johnson, Y. Saiga // Journal of Cellular Physiology. – 1962. – Vol. 59, № 3. – P. 223–239.
↑ Primary structure of the Aequorea victoria green-fluorescent protein / D. C. Prasher, V. K. Eckenrode, W. W. Ward [et al.] // Gene. – 1992. – Vol. 111, № 2. – P. 229–233.
↑ Green fluorescent protein as a marker for gene expression / M. Chalfie, Y. Tu, G. Euskirchen [et al.] // Science. – 1994. – Vol. 263, № 5148. – P. 802–805.
↑ Fluorescent proteins from nonbioluminescent Anthozoa species / M. V. Matz, A. F. Fradkov, Y. A. Labas [et al.] // Nature Biotechnology. – 1999. – Vol. 17, № 10. – P. 969–973.
↑ Matz M. V. Family of the green fluorescent protein: journey to the end of the rainbow / M. V. Matz, K. A. Lukyanov, S. A. Lukyanov [et al.] // Bioessays. – 2002. – Vol. 24, № 10. – P. 953–959.
↑ Discovery and properties of GFP-like proteins from nonbioluminescent anthozoa / K. A. Lukyanov, D. M. Chudakov, A. F. Fradkov [et al.] // Methods of Biochemical Analysis. – 2006. – Vol. 47. – P. 121–138.
↑ Novel uses of fluorescent proteins / A. S. Mishin, V. V. Belousov, K. M. Solntsev, K. A. Lukyanov // Current Opinion in Chemical Biology. – 2015. – Vol. 27. – P. 1–9.

Shimomura O. Extraction, purification and properties of aequorin, a bioluminescent protein from the luminous hydromedusan, Aequorea / O. Shimomura, F. H. Johnson, Y. Saiga // Journal of Cellular Physiology. – 1962. – Vol. 59, № 3. – P. 223–239.
Primary structure of the Aequorea victoria green-fluorescent protein / D. C. Prasher, V. K. Eckenrode, W. W. Ward [et al.] // Gene. – 1992. – Vol. 111, № 2. – P. 229–233.
Green fluorescent protein as a marker for gene expression / M. Chalfie, Y. Tu, G. Euskirchen [et al.] // Science. – 1994. – Vol. 263, № 5148. – P. 802–805.
Heim R. Wavelength mutations and posttranslational autoxidation of green fluorescent protein / R. Heim, D. C. Prasher, R. Y. Tsien // Proceedings of the National Academy of Sciences USA. – 1994. – Vol. 91, № 26. – P. 12501–12504.
Fluorescent proteins from nonbioluminescent Anthozoa species / M. V. Matz, A. F. Fradkov, Y. A. Labas [et al.] // Nature Biotechnology. – 1999. – Vol. 17, № 10. – P. 969–973.
Matz M. V. Family of the green fluorescent protein: journey to the end of the rainbow / M. V. Matz, K. A. Lukyanov, S. A. Lukyanov [et al.] // Bioessays. – 2002. – Vol. 24, № 10. – P. 953–959.
Bcl-2-mediated alterations in endoplasmic reticulum Ca2+ analyzed with an improved genetically encoded fluorescent sensor / A. E. Palmer, C. Jin, J. C. Reed, R. Y. Tsien // Proceedings of the National Academy of Sciences USA. – 2004. – Vol. 101, № 50. – P. 17404–17409.
Discovery and properties of GFP-like proteins from nonbioluminescent anthozoa / K. A. Lukyanov, D. M. Chudakov, A. F. Fradkov [et al.] // Methods of Biochemical Analysis. – 2006. – Vol. 47. – P. 121–138.
Novel uses of fluorescent proteins / A. S. Mishin, V. V. Belousov, K. M. Solntsev, K. A. Lukyanov // Current Opinion in Chemical Biology. – 2015. – Vol. 27. – P. 1–9.

[1] Shimomura O. Extraction, purification and properties of aequorin, a bioluminescent protein from the luminous hydromedusan, Aequorea / O. Shimomura, F. H. Johnson, Y. Saiga // Journal of Cellular Physiology. – 1962. – Vol. 59, № 3. – P. 223–239.

[2] Primary structure of the Aequorea victoria green-fluorescent protein / D. C. Prasher, V. K. Eckenrode, W. W. Ward [et al.] // Gene. – 1992. – Vol. 111, № 2. – P. 229–233.

[3] Green fluorescent protein as a marker for gene expression / M. Chalfie, Y. Tu, G. Euskirchen [et al.] // Science. – 1994. – Vol. 263, № 5148. – P. 802–805.

[4] Fluorescent proteins from nonbioluminescent Anthozoa species / M. V. Matz, A. F. Fradkov, Y. A. Labas [et al.] // Nature Biotechnology. – 1999. – Vol. 17, № 10. – P. 969–973.

[5] Matz M. V. Family of the green fluorescent protein: journey to the end of the rainbow / M. V. Matz, K. A. Lukyanov, S. A. Lukyanov [et al.] // Bioessays. – 2002. – Vol. 24, № 10. – P. 953–959.

[6] Discovery and properties of GFP-like proteins from nonbioluminescent anthozoa / K. A. Lukyanov, D. M. Chudakov, A. F. Fradkov [et al.] // Methods of Biochemical Analysis. – 2006. – Vol. 47. – P. 121–138.

[7] Novel uses of fluorescent proteins / A. S. Mishin, V. V. Belousov, K. M. Solntsev, K. A. Lukyanov // Current Opinion in Chemical Biology. – 2015. – Vol. 27. – P. 1–9.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

Открытие и изучение флуоресцентных белков

Примечания

Литература