新型荧光标记工具Spinach(1,2)

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作者：科学网
1962年科学家们首先在水母体内发现了绿色荧光蛋白（GFP），从那以后，这种神奇的蛋白质成为生物学功能研究的重要工具之一。在绿色荧光蛋白的帮助下， 研究人员不仅能够成像观测基因表达和蛋白质动态，还可以检测细胞内离子和小分子浓度、酶活性，标记细胞或分子亚群，实现复杂的动力学时空分析。这一突破性 的科学成果以其在后续数十年的生命科学研究中发挥的巨大作用，而获得了2008年度的诺贝尔化学奖。
 
来自美国威尔康乃尔医学院 （Weill Cornell Medical College ）的研究人员称他们开发了一种可以跟GFP蛋白媲美的新型荧光工具，这种被命名为“Spinach”的RNA-荧光基团复合物可用于追踪细胞内各种RNA 的功能动态。这一新技术将帮助科学家们揭开与人类生命活动及疾病相关的RNA的神秘面纱。论文发表于《科学》杂志。
 
“Spinach为我们提供了一个重要的研究工具，帮助了解RNA在生物学中的各种功能，”文章的资深作者、威尔康乃尔医学院药理学系副教授Samie Jaffrey博士说。
 
近 年来，随着生物学研究的飞速发展，RNA在生命活动中所行使的多种生物功能及作用机制不断获得深入解析。“过去科学家们认为RNA的功能仅仅是参与蛋白质 生物合成，蛋白质是细胞所有生命活动的唯一物质基础，”Samie Jaffrey说：“然而现在我们知道细胞中存在多种不同类型的RNA，其中一些RNA并不参与蛋白质的合成，而主要是对细胞内信号传导和基因表达起重要 的调控作用。”
 
在过去的几年里，RNA分类研究不断取得突破性进展，在揭开编码蛋白质的信使RNA（mRNA）之后，研究人员又发现了 多种影响翻译及基因表达的“非编码”RNA，并证实某些情况下这些RNA可直接与蛋白质结合对其功能进行调控。然而一直以来科学家们对于这些RNA的作用 机制却知之甚少。
 
鉴于GFP蛋白在细胞内蛋白质功能研究中的广泛应用，Jaffrey研究小组提出了一个奇妙的设想：能否开发出一种具有GFP相似功能的荧光RNA复合物，用于细胞内RNA的动态研究。
 
在 新研究中，Jaffrey研究小组的科研人员利用RNA能够折叠形成复杂三维形状的特性，构建了两个新实体（entities）：一段显示特异形状的合成 RNA序列，以及一个与RNA结合后发射荧光的小分子。“在这一研究中，我们面临着两个巨大的挑战，”Jaffrey博士说，“第一是要获得能够激活小分 子的RNA序列，第二则是要找到能够进行时间控制且对细胞无毒性作用的荧光小分子。“
 
Jaffrey等对多种分子进行了尝试性实验，其 中大部分由于会与细胞膜上的油脂结合发射荧光或本身具有细胞毒性而无法将其用于构建理想的荧光分子。最终，研究人员发现GFP蛋白中就包含了他们一直想寻 找的分子——一种荧光基团。于是研究人员根据这一荧光基团的形状合成了一些化学分子，并在随后构建了一条能够衔接这些化学分子的人工RNA序列。研究人员 将他们第一个成功构建的“RNA-荧光基团”复合物命名为“Spinach”。在进一步的实验中，研究人员再度成功构建出与Spinach发射不同荧光波 长的多个“RNA-荧光基团”复合物。
 
目前威尔康乃尔医学院的研究人员已开始利用Spinach追踪细胞中的非编码RNA。“我们实验 室长期以来致力于解析RNA运输及移位缺陷与儿童发育性疾病之间的关系，通过Spinach，我们观察到在细胞压力应激反应中一种非编码RNA发生了快速 的积聚。”Jaffrey博士说：“我们希望通过Spinach能够更深入地了解细胞中的RNA运输机制，以及它们在疾病中的受累情况。”
 
文章的第一作者Jeremy Paige博士表示：“目前在生物学中还存在大量围绕RNA的谜题。在过去科学家们证实荧光标记成像技术是一种非常强大的研究工具，我们期望Spinach也能像GFP一样开启一条科学研究的新途径帮助加速研究发现。”

小分子代谢物活体示踪
　　既然Spinach RNA用于示踪细胞内的小RNA基于Spinach RNA特定的三级结构，识别并捕获具有特定结构的RNA的Spinach RNA结构可以被设计，那么进一步，可以根据某一分子（不限于RNA）的结构从而设计出针对性的Spinach RNA，捕获并示踪任意目标分子。Jaffrey等进一步设计出了特定的Spinach RNA，追踪细胞内五个不同代谢产物包括二磷酸腺苷、ATP和参与调节基因表达甲基化过程的SAM（S-腺苷蛋氨酸）水平的变化。他说：“在此之前，一直 没有人能够实时观察到细胞中代谢产物水平是如何变化的”。

　　Jaffrey表示：“关于RNA令人惊奇的是，你可以得到基本上你想要结合任何一 种小分子代谢物的RNA序列。他们可以在几个星期就能生产出来”。然后，这些人造序列融合到Spinach中，并在细胞中以单链RNA的形式表达。 “动态观察到代谢产物的变化将为我们提供新的和强大的武器，方便我们了解代谢在疾病状态下是如何改变的，并帮助我们找到可以将它们恢复到正常水平的方 法”。

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　　细胞S-腺苷甲硫氨酸成像图，随着每个时间点蛋氨酸（右下）的增加，荧光强度也增高

原文链接：http://www.sciencemag.org/content/333/6042/642.abstract
DOI： 10.1126/science.1207339
ISBN： 0036-8075

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