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.

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.

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.

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.

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.

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.