Введение

Семейство ферментов люцифераз – это общее название для класса окислительных ферментов, производящих биолюминесценцию, и обычно отличающихся от фотопротеинов. Этот термин впервые был использован Рафаэлем Дюбуа, который изобрел слова «люциферин» и «люцифераза» для обозначения соответственно субстрата и фермента. Оба слова происходят от латинского слова *lucifer*, означающего «светоносец», которое, в свою очередь, образовано от латинских слов «свет» (*lux*) и «нести» (*ferre*). Люциферазы широко применяются в биотехнологии, для биолюминесцентной микроскопии и в качестве репортерных генов, во многих тех же областях, что и флуоресцентные белки. Однако, в отличие от флуоресцентных белков, люциферазы не требуют внешнего источника света, но нуждаются в добавлении люциферина – потребляемого субстрата.

Примеры

Различные организмы регулируют выработку света, используя различные люциферазы в разнообразных реакциях, приводящих к свечению. Большинство изученных люцифераз обнаружено у животных, включая светлячков и многих морских организмов, таких как копеподы, медузы и морские перочники. Однако люциферазы также изучались у светящихся грибов, например, у гриба Jack O'Lantern, а также у представителей других царств, включая биолюминесцентные бактерии и динофлагелляты.

Огонь и жук

Люциферазы светлячков – насчитывающих более 2000 видов – и других Elateroidea (коробовики и их близкие родственники в целом) достаточно разнообразны, чтобы быть полезными в молекулярной филогенетике. У светлячков кислород, необходимый для реакции, поступает по трубке в брюшке, называемой брюшной трахеей. Хорошо изученным примером является люцифераза светлячка Photinus pyralis из рода Photinini, оптимальный pH которой равен 7,8.

Копепод

Недавно были идентифицированы новые люциферазы, которые, в отличие от других, являются естественным образом секретируемыми молекулами. Одним из примеров является люцифераза Metridia, зависящая от коэлентеразина (MetLuc), полученная из морского копепода Metridia longa. Ген, кодирующий секретируемую люциферазу Metridia longa, кодирует белок весом 24 кДа, содержащий N-концевой секреторный сигнальный пептид из 17 аминокислотных остатков. Высокая чувствительность и интенсивность сигнала этой люциферазной молекулы оказываются полезными во многих исследованиях с использованием репортеров. Одним из преимуществ использования секретируемой репортерной молекулы, такой как MetLuc, является протокол, не требующий лизиса клеток, что позволяет проводить анализы на живых клетках и несколько анализов на одной и той же клетке.

Бактериальные

Бактериальная биолюминесценция наблюдается у видов *Photobacterium*, *Vibrio fischeri*, *Vibrio haweyi* и *Vibrio harveyi*. Светоизлучение в некоторых биолюминесцентных бактериях использует "антенны", такие как белок лумазина, для приема энергии из первичного возбужденного состояния люциферазы, что приводит к образованию возбужденного лумазинового хромофора, излучающего свет с более короткой длиной волны (более синий). В других же используется желтый флуоресцентный белок (YFP) с флавинмононуклеотидом (FMN) в качестве хромофора, излучающего свет, сдвинутый в красную область спектра по сравнению с излучением люциферазы.

Динофлагелат

Динофлагеллятную люциферазу представляет собой многодоменный эукариотический белок, состоящий из N-концевого домена и трех каталитических доменов, каждому из которых предшествует домен спирального пучка. Структура каталитического домена динофлагеллятной люциферазы установлена. Основная часть домена – это 10-нитевый бета-баррель, структурно схожий с липокалинами и FABP. Домен спирального пучка имеет структуру из трех спиралей, содержащую четыре важных гистидина, предположительно играющих роль в pH-регуляции фермента. Почти вся энергия, поступающая в реакцию, преобразуется в свет. Эффективность реакции составляет 80–90%. Для сравнения, лампа накаливания преобразует около 10% своей энергии в свет, а светодиод с мощностью 150 люмен на ватт (лм/Вт) – 20% входной энергии в видимый свет. В реакции люциферазы свет излучается при взаимодействии люциферазы с соответствующим субстратом люциферином. Эмиссию фотонов можно обнаружить с помощью светочувствительного оборудования, такого как люминометр или оптический микроскоп с ПЗС-камерой (CCD-камера). Это позволяет наблюдать биологические процессы. Поскольку для биолюминесценции люциферазы не требуется световое возбуждение, автофлуоресценция минимальна, и биолюминесцентный сигнал практически не содержит фона. Таким образом, даже 0,02 пг можно точно измерить с помощью стандартного сцинтилляционного счетчика. В биологических исследованиях люцифераза обычно используется в качестве репортерного гена для оценки транскрипционной активности в клетках, трансфицированных генетической конструкцией, содержащей ген люциферазы под контролем интересующего промотора. Кроме того, пролюминесцентные молекулы, которые превращаются в люциферин при активности определенного фермента, могут использоваться для обнаружения активности фермента в одно- или двухступенчатых анализах с использованием люциферазы. Такие субстраты использовались для обнаружения активности каспаз и цитохрома P450, среди прочего. Люцифераза может выступать в качестве сенсорного белка для АТФ посредством биотинилирования. Биотинилирование иммобилизует люциферазу на поверхности клетки путем связывания с комплексом стрептавидин-биотин. Это позволяет люциферазе обнаруживать выход АТФ из клетки и эффективно отображать высвобождение АТФ в реальном времени посредством биолюминесценции. Чувствительность люциферазы к обнаружению АТФ можно дополнительно повысить, увеличив интенсивность люминесценции путем изменения определенных аминокислотных остатков в последовательности белка. Визуализация всего организма (обозначаемая как in vivo при исследовании неповрежденных организмов или ex vivo при исследовании живой, но эксплантированной ткани) является мощным методом изучения клеточных популяций в живых растениях или животных, таких как мыши. Различные типы клеток (например, стволовые клетки костного мозга, Т-клетки) могут быть сконструированы для экспрессии люциферазы, что позволяет визуализировать их неинвазивно внутри живого животного с помощью чувствительной ПЗС-камеры (CCD-камера). Этот метод использовался для отслеживания опухолеобразования и реакции опухолей на лечение на животных моделях. Однако факторы окружающей среды и терапевтические вмешательства могут вызывать расхождения между опухолевой нагрузкой и интенсивностью биолюминесценции, связанные с изменениями пролиферативной активности. Интенсивность сигнала, измеряемого при визуализации in vivo, может зависеть от различных факторов, таких как абсорбция D-люциферина через брюшину, кровоток, проницаемость клеточной мембраны, доступность кофакторов, внутриклеточный pH и прозрачность налегающих тканей, а также от количества люциферазы. Люцифераза – это теплочувствительный белок, используемый в исследованиях денатурации белков и для оценки защитных способностей белков теплового шока. Возможности применения люциферазы продолжают расширяться.