珊瑚螢光蛋白大解密

 

2020年蘭嶼發生珊瑚大白化，水下的珊瑚呈現各式繽紛色彩。

文、圖 |  

海生館企研組主任/副研究員 王立雪

海生館企研組研究助理 陳泓愷

五彩繽紛的珊瑚圖像讓人著迷，但實際在臺灣附近海域潛水或浮潛時，經常只能看見棕色或綠色的珊瑚，在尖端才會出現其它的顏色，如藍色、紫色、綠色或是黃色等，理想與現實的落差，讓人大失所望。很多人會猜測，是不是因為環境惡化，才導致珊瑚失去色彩？然而真相卻並非如此。

當珊瑚為健康狀態時，體內有大量的「共生藻」，共生藻是褐藻中的渦鞭毛藻，體內具有大量的多甲藻素（橘色）、葉綠素c（黃色）葉綠素a（深綠色），這些色素以不同比例混合，讓我們肉眼看到的珊瑚呈現出土黃色或深棕色。然而，在珊瑚快速成長的尖端，或是由於白化造成共生藻密度下降時，珊瑚就會展現出多彩的面貌。珊瑚的色彩有些來自於小分子的色素，有些則是大分子的蛋白質，也就是這篇文章中向大家介紹的珊瑚螢光蛋白。

2020年蘭嶼珊瑚大白化，軸孔珊瑚出現藍色及黃色螢光。

螢光蛋白最早是在維多利亞多管發光水母（Aequorea victoria）中被發現，也就是大家最常聽過的綠色螢光蛋白（green fluorescence protein，縮寫為GFP），此發現也為科學研究帶來巨大突破，因為研究人員能夠將螢光蛋白應用於活體細胞標示，並透過獲得的螢光影像進一步進行基因表現及神經科學的研究。其貢獻之大，讓發現及後繼改造的三位科學家：下村脩（Osamu Shimomura）、馬丁·查爾菲（Martin Chalfie）及錢永健等人獲得了2008年的諾貝爾化學獎。

綠色螢光蛋白是由238個氨基酸殘基組成的蛋白質，其分子質量約為25kDa（千道爾頓）。它的蛋白質立體結構為11條β-摺疊在外周圍成圓柱狀的柵欄，而在圓柱結構中，α-螺旋上的 65、66和67位胺基酸，也就是絲氨酸、酪氨酸、甘氨酸，經過環化、脫氫等作用後會形成「發色團」（chromophore）。這個發色團可以被UV、藍光波段激發，以更長的波長釋放出綠色的螢光回到低能量的基態，整個過程中只需要氧氣作為輔助。而且螢光蛋白發光團外部有11條β-摺疊形成圓柱狀的柵欄保護，而不會造成「光致褪色現象」（photobleaching）。過去常用於螢光標誌的小分子的螢光染劑，如「異硫氰酸螢光素」（Fluorescein isothiocyanate，縮寫為FITC）等因沒有類似的結構保護，容易被高能量的UV或藍光照射光致褪色而無法長期觀察，而螢光蛋白則能持續在螢光顯微鏡下長時間觀察。

立體螢光顯微鏡下觀察的角菊珊瑚。（上）為白光下；（下）為利用藍光照射，藍光激發下的角菊珊瑚口部具有綠色螢光蛋白表現，紅色螢光則為共生藻的螢光。

除了綠色外，螢光蛋白家族（fluorescence proteins，縮寫為FPs）的顏色比彩虹更繽紛。研究人員利用基因工程改造螢光蛋白的氨基酸序列，讓螢光蛋白呈現不同顏色，也可以對特定波長激發出更強的螢光，並發展出多達數十種以上不同顏色和特性的螢光蛋白。例如紅色螢光蛋白原本需要「二聚體」或「四聚體」才能發出螢光，經過基因工程改造後，單體也可在綠光激發下發出紅色螢光。多樣性的螢光蛋白的應用範圍廣泛，可被用於醫學研究應用、遺傳育種選殖等領域，不同顏色的螢光蛋白就像不同顏色的螢光筆，能在不損害生物本體的基礎上幫助科學家標示出所要觀察的「重點」，例如特殊胞器或交互作用。螢光蛋白甚至能被用於觀賞生物上，例如螢光斑馬魚及開發出螢光植物。許多研究人員嘗試在刺胞動物生物中找尋更多樣的螢光蛋白，2022年日本科學家在骨穗軟珊瑚中找到兩種特殊的螢光蛋白，能夠在不同的酸鹼值下呈現出不同顏色的螢光特性：在酸性環境下發出的螢光趨向藍色或綠色，而在鹼性環境下則顯現出明顯的紅色螢光。

具有不同藍紫色（不具螢光特性）螢光蛋白表現的鹿角珊瑚。

綠色螢光蛋白存在於珊瑚的外胚層，當它大量表現時，珊瑚外表會呈現黃綠色系。就像人們會戴墨鏡阻擋陽光一樣，研究人員認為綠色螢光蛋白就像珊瑚的太陽眼鏡，具有光保護的功能，可以調節太陽光線進入珊瑚體內不同波長的光線的能量。珊瑚綠色螢光蛋白可以吸收紫外線（UV）跟藍光，然後以綠色螢光的方式釋放，進而降低UV跟藍光對珊瑚及共生藻細胞的傷害。此外，綠色螢光蛋白還能消耗共生藻行光合作用所產生的過量氧氣，降低過氧化傷害。在較強光線的照射下，綠色螢光蛋白的表現量也會隨之增加。

綠色螢光蛋白的表現也被認為跟珊瑚健康密切相關，在因為高溫或低溫造成的珊瑚白化過程中，綠色螢光蛋白的表現量初期會明顯下降，而其它螢光蛋白會大量表現，但若環境逐漸改善，珊瑚慢慢康復，其體內的綠色螢光蛋白也會漸漸恢復正常。目前科學家們也嘗試應用此一原理，開發更準確的自動化偵測珊瑚分佈與健康狀態的辨識系統。此外，在珊瑚幼生及成體的口部常發現大量的綠色螢光蛋白分佈，科學家們也推測，這是因為游離在水層中的共生藻具有遠離藍光但會趨近綠光的特性，綠色螢光蛋白能吸引共生藻靠近珊瑚，助於彼此建立共生關係。

潛水拍攝到珊瑚具有不同顏色的螢光蛋白。上：在野外大量表現紅色螢光蛋白的表孔珊瑚；中：刺葉珊瑚口部有橘色螢光；下：柯氏角菊珊瑚口部綠色螢光。

珊瑚體內除了綠色螢光蛋白外，螢光蛋白家族中還包括青色螢光蛋白、黃色螢光蛋白、紅色螢光蛋白及一種藍紫色但不具螢光特性的螢光蛋白。不同顏色的螢光蛋白讓珊瑚有時候雖然是同一種珊瑚，卻有不一樣的外表型，同一種珊瑚體內可能會有多種不同顏色的螢光蛋白表現，也可能分佈在不同的組織或細胞中。研究人員也在位於中光層的盤星珊瑚與刺葉珊瑚體內發現紅色螢光蛋白，它具有特殊的轉換能力，可以被藍光激發，並將其轉換成波長較長的橘紅色螢光。此螢光被認為能穿透較深層的組織，增加共生藻利用光子的能力，因此，這種螢光也被認為有助於此兩種珊瑚適應較深的海域環境。

另外珊瑚在與其它生物競爭、被傷害或遭受病原菌感染時，我們可觀察到紅色螢光蛋白的表現增加，因此螢光蛋白的多寡也被認為與珊瑚的免疫反應有關。螢光蛋白能充當抗氧化劑的角色，清除對珊瑚有害的過氧化物。另外有研究認為，紅色螢光蛋白大量表現的珊瑚幼生，其體內與細胞成長分裂相關的基因表現量會下降，這種現象與成年珊瑚在面對高溫逆境時的反應類似，雖然會造成珊瑚胚胎發育停滯，但是卻有助於珊瑚幼生能浮游更久，增加牠們分散到不同地方的機會。

微孔珊瑚被魚類咬、甲殼類寄生、微生物感染時會有粉紅色斑塊。

多年來的研究顯示珊瑚具有發出螢光的特性，然而，關於這種螢光行為的具體原因及機制仍然存在許多謎團。因此，透過研究珊瑚在各個生長階段，以及面對不同環境變化時，所產生的螢光基因表現行為，不僅是了解珊瑚特性的重要一步，更可以藉此分析出珊瑚在生態系統中的角色及意義，進而幫助人們認識珊瑚的生活習性以及其生態地位的重要性。

值得注意的是，很多螢光蛋白在珊瑚體內的功能或生理意義尚未完全釐清，還需要有更多研究能量投入來解答這些問題。這些研究不僅能幫助我們了解珊瑚的生物學特性，還可能在抵抗紫外線傷害和生技醫療領域上為人類提供最佳解方。