Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Люцифераза ферменттер отбасы – биолюминесценцияны тудыратын тотықтырғыш ферменттер класының жалпы атауы, әдетте фотопротеиннен ажыратылады. Бұл атауды алғаш рет Рафаэль Дюбуа қолданған, ол люциферин және люцифераза сөздерін тиісінше субстрат пен фермент үшін ойлап тапқан. Екі сөз де "жарық әкелуші" мағынасындағы латын сөзінен туындаған, ал бұл сөз "жарық" (lux) және "әкелу немесе тасу" (ferre) деген латын сөздерінен шыққан. Люциферазалар биотехнологияда кеңінен қолданылады, биолюминесценттік бейнелеу микроскопиясы және репортерлік гендер ретінде, флуоресцентті ақуыздар сияқты көптеген қолданыстар үшін. Дегенмен, флуоресцентті ақуыздардың керісінше, люциферазаларға сыртқы жарық көзі қажет емес, бірақ тұтынылатын субстрат – люциферин қосылуы керек.
Enzyme family
Luciferase is a generic term for the class of oxidative enzymes that produce bioluminescence, and is usually distinguished from a photoprotein. The name was first used by Raphaël Dubois who invented the words luciferin and luciferase, for the substrate and enzyme, respectively. Both words are derived from the Latin word lucifer, meaning "lightbearer", which in turn is derived from the Latin words for "light" (lux) and "to bring or carry" (ferre). Luciferases are widely used in biotechnology, for bioluminescence imaging microscopy and as reporter genes, for many of the same applications as fluorescent proteins. However, unlike fluorescent proteins, luciferases do not require an external light source, but do require addition of luciferin, the consumable substrate.
Мысалдар
Түрлі организмдер әртүрлі люциферазаларды пайдалана отырып, жарық шығару реакцияларын реттейді. Зерттелген люциферазалардың көп бөлігі жануарларда, оның ішінде шырыштарда және көптеген теңіз жануарларында, мысалы, копеподтарда, медузаларда және теңіз пансилерінде кездеседі. Дегенмен, люциферазалар жарқыраған саңырауқұлақтарда, мысалы, Джек-о-Лантерн саңырауқұлағында, сондай-ақ биолюминесцентті бактериялар мен динофлагелляттар сияқты басқа да әлемдерде зерттелген.
A variety of organisms regulate their light production using different luciferases in a variety of light emitting reactions. The majority of studied luciferases have been found in animals, including fireflies, and many marine animals such as copepods, jellyfish, and the sea pansy. However, luciferases have been studied in luminous fungi, like the Jack O Lantern mushroom, as well as examples in other kingdoms including bioluminescent bacteria, and dinoflagellates.
Жарыққұйрық және шапшаңқұйрық
Жарыққұрлар – 2000-нан астам түрі бар – және басқа Elateroidea (тікенқұрлар және оларға жақын туыстар) люциферазалары молекулалық филогенезияда қолдануға жеткілікті түрлі. Жарыққұрларда қажетті оттегі ішек қуысындағы трахея деп аталатын түтік арқылы беріледі. Жақсы зерттелген люциферазалардың бірі – Photinini жарыққұрты Photinus pyralis люциферазасы, оның ең қолайлы pH деңгейі 7,8-ге тең.
The luciferases of fireflies – of which there are over 2000 species – and of the other Elateroidea (click beetles and relatives in general) are diverse enough to be useful in molecular phylogeny. In fireflies, the oxygen required is supplied through a tube in the abdomen called the abdominal trachea. One well studied luciferase is that of the Photinini firefly Photinus pyralis, which has an optimum pH of 7.8.
Копепод
Жақында басқа люциферазалардан өзгеше, табиғи түрде бөлінетін молекулалар ретінде жаңа люциферазалар анықталды. Мұндай мысалдың бірі – Metridia coelenterazine-ге тәуелді люцифераза (MetLuc), ол теңізде тіршілік ететін Metridia longa копеподынан алынған. Metridia longa секрецияланатын люцифераза гені 17 аминқышқыл қалдығынан тұратын N-терминалды секреторлық сигнал пептидін қамтитын 24 кДа ақуызды кодтайды. Бұл люцифераза молекуласының жоғары сезімталдығы және күшті сигнал интенсивтілігі көптеген репортерлік зерттеулерде пайдалы болып табылады. MetLuc сияқты секрецияланатын репортер молекуласын пайдаланудың бірнеше артықшылықтары бар, соның ішінде лизис қажет емес, бұл тірі жасушаларда және бір жасушада бірнеше сынақтар жүргізуге мүмкіндік береді.
Newer luciferases have recently been identified that, unlike other luciferases, are naturally secreted molecules. One such example is the Metridia coelenterazine dependent luciferase (MetLuc, ) that is derived from the marine copepod Metridia longa. The Metridia longa secreted luciferase gene encodes a 24 kDa protein containing an N terminal secretory signal peptide of 17 amino acid residues. The sensitivity and high signal intensity of this luciferase molecule proves advantageous in many reporter studies. Some of the benefits of using a secreted reporter molecule like MetLuc is its no lysis protocol that allows one to be able to conduct live cell assays and multiple assays on the same cell.
Бактериялық
Бактериялық биолюминесценция Фотобактериялар, Вибрио фишери, Вибрио хавеи және Вибрио харвейі түрлерінде кездеседі. Кейбір биолюминесцентті бактериялардағы жарық шығару люциферазадағы бастапқы қозу күйінен энергияны қабылдау үшін люмазин ақуызы сияқты "антеннаны" пайдаланады, нәтижесінде қозуға түскен лулназин хромофоры пайда болады, ол қысқа толқынды (көкшіл) жарық шығарады, ал басқалары флавин мононуклеотиді (FMN) бар сары флуоресцентті ақуызды (YFP) хромофор ретінде пайдаланып, люциферазаға қарағанда қызылға қарай ығысқан жарық шығарады.
Bacterial bioluminescence is seen in Photobacterium species, Vibrio fischeri, Vibrio haweyi, and Vibrio harveyi. Light emission in some bioluminescent bacteria utilizes 'antenna' such as lumazine protein to accept the energy from the primary excited state on the luciferase, resulting in an excited lulnazine chromophore which emits light that is of a shorter wavelength (more blue), while in others use a yellow fluorescent protein (YFP) with flavin mononucleotide (FMN) as the chromophore and emits light that is red shifted relative to that from luciferase.
Динофлагелат
Динофлагеллят люциферазасы – көп доменді эукариоттық белок, N-терминалды доменінен және әрқайсысының алдында спираль тәрізді шоғыр домені орналасқан үш каталитикалық доменнен тұрады. Динофлагеллят люциферазасының каталитикалық доменінің құрылымы анықталды. Доменнің негізгі бөлігі – 10 жіпті бета-цилиндр, ол липокалиндер мен FABP-ға құрылымдық жағынан ұқсас. Спираль тәрізді шоғыр доменінде ферменттің pH-ын реттеуге қатысады деп есептелетін төрт маңызды гистидин қамтитын үш спиральді құрылым бар. Реакцияға түсетін энергияның көбі жарыққа айналады. Реакцияның тиімділігі 80-90% құрайды. Салыстыру үшін, шам энергиясының шамамен 10% ғана жарыққа айналады, ал 150 люмен/Ватт (лм/В) LED кіріс энергиясының 20% көрінетін жарыққа айналдырады. Люцифераза реакциясында, люцифераза тиісті люциферин субстратына әсер ететін кезде жарық шығарылады. Фотондарды люминометр немесе CCD камерасы бар оптикалық микроскоп сияқты жарыққа сезімтал құралдармен анықтауға болады. Бұл биологиялық процестерді бақылауға мүмкіндік береді. Люциферазаның биолюминесценциясына жарық қоздыру қажет болмағандықтан, автофлуоресценция минималды болады, сондықтан биолюминесценттік сигнал негізінен фондық бұрқаныстан таза болады. Сондықтан, стандартты сцинтилляциялық санауышпен 0,02 пг-ға дейін дәл өлшеуге болады. Биологиялық зерттеулерде люцифераза, люцифераза генін қамтитын генетикалық конструкциямен, қызығушылық тудыратын промотордың бақылауымен трансфекцияланған жасушалардағы транскрипциялық белсенділікті бағау үшін репортер ретінде жиі қолданылады. Сонымен қатар, белгілі бір фермент белсенділігінде люциферинге айналатын пролюминесцентті молекулаларды жұптасқан немесе екі сатылы люциферазалық талдауларда ферменттік белсенділікті анықтау үшін пайдалануға болады. Мұндай субстраттар каспаза белсенділігін және цитохром P450 белсенділігін анықтау үшін қолданылған. Люцифераза биотинилдену арқылы АТФ сенсорлық белок ретінде әрекет ете алады. Биотинилдендіру люциферазаны клетка бетінде стрептавидин-биотин кешеніне байланыстыру арқылы бекітеді. Бұл люциферазаға клеткадан АТФ-тың шығуын анықтауға және биолюминесценция арқылы АТФ-тың шығарылуын нақты уақыт режимінде көрсетуге мүмкіндік береді. Люциферазаның АТФ-ны анықтау үшін сезімталдығын, сондай-ақ белок тізбегіндегі белгілі бір аминқышқыл қалдықтарын өзгерту арқылы люминесценция қарқындылығын арттыру арқылы арттыруға болады. Бүкіл организмді бейнелеу (интакт болғанда in vivo деп аталады, ал тірі, бірақ алынған тінді бейнелеу ex vivo деп аталады) – тірі өсімдіктер мен жануарлардағы жасуша популяцияларын зерттеудің қуатты әдісі. Жасушалардың әртүрлі түрлері (мысалы, сүйек миының шекті жасушалары, T жасушалары) люциферазаны экспрессиялау үшін гендік өзгертуге ұшыратылуы мүмкін, бұл оларды тірі жануардың ішінде инвазивті емес түрде визуализациялауға мүмкіндік береді. Бұл әдіс жануарлар моделінде ісік пайда болуын және емге жауапты жағдайды бақылау үшін қолданылған. Алайда, қоршаған орта факторлары мен терапиялық араласулар пролиферациялық белсенділіктің өзгеруіне байланысты ісік жүктемесі мен биолюминесценция қарқындылығы арасында кейбір қарама-қайшылықтарға әкелуі мүмкін. In vivo бейнелеу арқылы өлшенген сигналдың қарқындылығы люцифераза мөлшеріне қоса, D-люцифериннің перитонеум арқылы сіңірілуі, қан ағыны, жасуша мембранасының өткізгіштігі, кофакторлардың болуы, ішкі жасушалық pH және үстіңгі тіндердің мөлдірлігі сияқты әртүрлі факторларға байланысты болуы мүмкін. Люцифераза – жылуға сезімтал белок, ол белокты денатурациялау зерттеулерінде және жылулық шок белоктарының қорғаныш қабілетін тексеруде қолданылады. Люциферазаны пайдалану мүмкіндіктері кеңейе беруде.
Dinoflagellate luciferase is a multi domain eukaryote protein, consisting of an N terminal domain, and three catalytic domains, each of which preceded by a helical bundle domain. The structure of the dinoflagellate luciferase catalytic domain has been solved. The core part of the domain is a 10 stranded beta barrel that is structurally similar to lipocalins and FABP. The helical bundle domain has a three helix bundle structure that holds four important histidines that are thought to play a role in the pH regulation of the enzyme. Nearly all of the energy input into the reaction is transformed into light. The reaction is 80% to 90% efficient. In comparison, the incandescent light bulb only converts about 10% of its energy into light and a 150 lumen per Watt (lm/W) LED converts 20% of input energy to visible light. In the luciferase reaction, light is emitted when luciferase acts on the appropriate luciferin substrate. Photon emission can be detected by light sensitive apparatus such as a luminometer or an optical microscope with a CCD camera. This allows observation of biological processes. Since light excitation is not needed for luciferase bioluminescence, there is minimal autofluorescence and therefore the bioluminescent signal is virtually background free. Therefore, as little as 0.02 pg can still be accurately measured using a standard scintillation counter. In biological research, luciferase is commonly used as a reporter to assess the transcriptional activity in cells that are transfected with a genetic construct containing the luciferase gene under the control of a promoter of interest. Additionally, proluminescent molecules that are converted to luciferin upon activity of a particular enzyme can be used to detect enzyme activity in coupled or two step luciferase assays. Such substrates have been used to detect caspase activity and cytochrome P450 activity, among others. Luciferase can act as an ATP sensor protein through biotinylation. Biotinylation will immobilize luciferase on the cell surface by binding to a streptavidin biotin complex. This allows luciferase to detect the efflux of ATP from the cell and will effectively display the real time release of ATP through bioluminescence. Luciferase can additionally be made more sensitive for ATP detection by increasing the luminescence intensity by changing certain amino acid residues in the sequence of the protein. Whole organism imaging (referred to as in vivo when intact or, otherwise called ex vivo imaging for example of living but explanted tissue) is a powerful technique for studying cell populations in live plants or animals, such as mice. Different types of cells (e. g. bone marrow stem cells, T cells) can be engineered to express a luciferase allowing their non invasive visualization inside a live animal using a sensitive charge couple device camera (CCD camera). This technique has been used to follow tumorigenesis and response of tumors to treatment in animal models. However, environmental factors and therapeutic interferences may cause some discrepancies between tumor burden and bioluminescence intensity in relation to changes in proliferative activity. The intensity of the signal measured by in vivo imaging may depend on various factors, such as D luciferin absorption through the peritoneum, blood flow, cell membrane permeability, availability of co factors, intracellular pH and transparency of overlying tissue, in addition to the amount of luciferase. Luciferase is a heat sensitive protein that is used in studies on protein denaturation, testing the protective capacities of heat shock proteins. The opportunities for using luciferase continue to expand.