荧光素酶来源于萤火虫超

前言：生物发光是一种在生物体内由酶将化学能转化为光能的现象，在自然界中有超过30种生物发光体系，而我们所熟知的萤火虫的发光体系就是其中研究最早，应用也最广泛的一种。萤火虫的发光现象是由其体内的萤光素酶（luciferase）的催化下三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)与发光底物萤光素（lucierin）发生反应产生光。ATP被认为是一种在所有生物体生存和繁殖的细胞合成中必不可少的普遍能量来源，形象的说，它是一种通用的能量“货币”。ATP可以通过水解产生AMP和一个磷酸基团，同时释放出能量，供给细胞活动。ATP结构图发光反应的方程式：研究历史：1885年萤光素及萤光素酶第①次被Dubois提取出来；1952年Strehler和Totter首次使用萤光素酶粗制品测定ATP；1961年White等人工合成了萤光素；1985年Dewet, JR等首次克隆了P. Pyralis萤光素酶基因并在大肠杆菌中表达，从中得到具有活性的萤光素酶，从而开启了萤光素酶作为报告基因的历程。ATP的含量直接反应了细胞或微生物的含量，通过监测ATP含量的改变，可以评价多种药物、生物制剂或生物活性物质引起的细胞杀伤、细胞抑制和细胞增殖作用；另外ATP也常作为微生物污染的一个指标，检测ATP含量能直接反映出其受污染程度。测定生物体中ATP的水平及其动态变化便成为监测生物体必不可少的手段。接下来，小编将向大家具体介绍一下他在近年来的应用领域。应用领域01食品安全人类的身体健康、生命安全长期受到微生物污染的威胁，营养琼脂平板计数法是国际上针对微生物检测的现有标准方法，然而该方法要求在 37 ℃下持续培养 48 h，过于繁琐的操作无法实现快速检测。现下，国内也加大了对核酸法、电阻抗测量、免疫学方法、微菌落技术等各类微生物快速检测技术展开了研究、应用。ATP生物发光法因快速、简便且具有较高灵敏度的缘故，可用于实时监控微生物污染，与食品行业需求相符合，故而有关该技术的研究与应用十分广泛。其检测步骤通常为：①首先根据ATP发光检测试剂盒的使用说明将标准ATP按梯度稀释，与酶、底物、缓冲液按比例混合，使用发光检测设备（比如博鹭腾发光检测系列）测量对应的发光值，绘制标准曲线。②提取样品细胞中的ATP，稀释，之后按比例与酶、底物、缓冲液混合，使用发光检测设备测定发光值，代入标准曲线，即可知道样品中ATP浓度。（ATP浓度与细胞浓度关系的测定：取对数生长期的细胞，离心浓缩后用苔盼蓝染色，计活细胞数，之后在 96孔培养板上等比稀释，测定其发光值，发光值代入标准曲线获得ATP浓度，经过计算即可获得ATP浓度与细胞浓度关系。）应用案例：酒类制作过程中微生物浓度检测食品生产线卫生学检测环境保护部门水体微生物检测卫生监管部门微生物数量检测对应文献：[1]吴慧清.ATP生物发光法饮用水中细菌总数快速测定方法研究[J].中国卫生检验杂志,2009,19(9):1975-1978.[2]刘阳,牟金明.ATP生物发光法快速测定物体表面的菌落总数[J].安徽农业科学,2016,44(1):125-128.[3]易琳.微生物检测中 ATP 生物发光法的应用研究现状[J].生物化工,2019,5(1):124-126.[4]高红阁.ATP 生物荧光法在卫生监督工作中的应用进展[J].疾病监测与控制杂志,2013,7(9):548-550.[5]伍季.ATP生物发光法快速检测啤酒中的菌落总数[J].河南科学,2006,24(1):63-65.[6]李春艳,霍贵成.ATP生物发光法快速测定生乳中微生物总数的研究[J].食品工业科技,2008,29(7):233-238.[7]魏树源.三磷酸腺苷生物发光快速微生物检测法在疫苗中间品无菌试验中的应用[J].中国生物制品学杂志,2010,23(10):1120-1124.[8]丛苑,李平兰.ATP 发光法快速检测玉米中的霉菌[J].中国食品学报,2014,14(8):233-238.02药物敏感实验化疗是恶性肿瘤主要治疗手段之一，其地位已越来越重要。但因为不同类型的肿瘤以及不同个体的同类肿瘤存在异质性，以致惯用的经验式化疗效果尚不理想。临床上迫切需要有切实可靠的检测方法，在化疗实施前筛选出有效药物，进行个体化治疗，以提高疗效而减少毒副作用。ATP生物发光法是近年来发展起来的一种高度敏感的药物敏感试验。文献表明 ,将ATP生物发光法应用于临床个体肿瘤药物敏感性的预测，与临床有较好的相关性。基本思路为：①将癌细胞与药物体外混合培养一段时间。②与食品安全检测类似：绘制发光标准曲线→测定与药物混合培养细胞的发光值→代入标准曲线，最 后计算出药物对肿瘤的杀伤强度。应用案例：化疗药物筛选结核药物筛选细胞活性测定中医疗效评价对应文献：[1]周旻.ATP生物发光法检测卵巢癌细胞对化疗药物的敏感性[J].广东医学,2000,21(4):293-295.[2]陈历排.用微量板 ATP生物发光法检测肿瘤细胞对化疗药物的敏感性[J].肿瘤,2000,20(2):103-105.[3]刘君.三磷酸腺苷发光法快速检测结核分枝杆菌异烟肼耐药的研究[J].现代预防医学,2014,41(1):108-113.[4]梁镇兴.利用自主发光结核分枝杆菌快速连续检测抗结核药物的细胞内活性[J].实用医学杂志,2013,29(23):3823-3826.[5]张志敏.ATP释放法测定人外周血NK细胞活性及初步临床应用[J].免疫学杂志,1992,8(4):260-261.[6]湛学军.三磷酸腺苷生物发光法分析莪术油等中药抑制肝、胃癌细胞增殖活性的研究[J].江西医药,2005,40(11):706-708.[7]朱云仙.养心2号方对慢性心力衰竭大鼠心肌组织ATP及MMP的影响[J].南京中医药大学学报,2016,32(3):274-278.[8]彭艳.艾灸对脾虚大鼠空肠组织ATP含量和ATP酶活性的影响[J].中国现代医学杂志,2013,23(1):8-13.高灵敏度板式发光检测仪Lux-P110：目前已被多家学校、医院、企业所使用，具有极高的灵敏度（≤10amolATP或≤20zmol 萤光素酶）、超宽的线性范围（≥6个数量级），同时配备了两个原位进样器，支持双萤光素酶报告体系的检测。高灵敏度管式发光检测仪Lux-T020：管式发光检测仪主要针对单样品发光检测的客户，相比于Lux-P110，体积更加小巧，使用更加方便，灵敏度则与Lux-110相同。该系列设备支持试用，欢迎您与我们联系。

01什么是双荧光素酶报告系统？双荧光素酶报告系统通常是指萤火虫荧光素酶（Firefly Luciferase，F-Luc）和海肾荧光素酶（Renilla Luciferase，R-Luc）组合而成的双报告系统。其中，F-Luc是从萤火虫Photinus pyralis中分离出来的；R-Luc则是从海肾Renilla reniformis中分离出来的。萤火虫海肾这两种酶都能催化底物发光，但它们在进化上的起源不同。因此，他们具有不同的酶学结构和底物要求：F-Luc需要荧光素、氧气、ATP和镁离子同时存在才能发光；R-Luc仅需要腔肠素和氧气。此外，他们发光的颜色不同：F-Luc的光波长为550-580nm；R-Luc的光波长为470-490nm。正是由于这两种酶的底物和发光波长不同，互不干扰，所以在双报告系统中得到广泛应用。发光反应方程式02双荧光素酶报告系统有什么优势？单荧光素酶实验的结果往往会受到各种实验条件（比如，培养细胞的数目和活力的差别，细胞转染和裂解的效率等）的影响，而双荧光素酶实验中，通常以海肾荧光素酶为内参，对萤火虫荧光素酶的检测结果做均一化处理，使得最终的数据更为准确。03双荧光素酶报告系统的应用？一、miRNA与靶标基因相互作用1. 验证microRNA同mRNA靶向互作。将待测mRNA的3’UTR序列插入报告基因载体，再共转入该microRNA，如果荧光素酶活性下降，则提示为其靶序列。2. 验证microRNA同lncRNA靶向互作。将候选的lncRNA序列插入报告基因载体中的3’UTR区域，再共转入该microRNA，检测荧光素酶活性。二、启动子分析1. 启动子结构分析。将启动子区域序列进行分段截短或对特定位点进行突变，再分别连接到报告载体，荧光素酶活性变化可以指示启动子功能变化。2. 启动子SNP分析。一些基因的启动子区域存在单核苷酸多态性，可运用荧光素酶报告系统分析其相对活性。3. 验证特定转录因子同其调控序列的作用。将该序列（通常为启动子区域）插入报告基因载体，同时在实验细胞中过表达该转录因子，可分析转录因子过表达是否提高荧光素酶活性。三、信号通路分析将该信号通路的下游响应原件序列构建入报告基因载体，在不同上游信号条件下，荧光素酶活性代表了通路的下游响应。04常用的双荧光素酶载体是什么？载体的选择有两种策略：第一种方案是两种荧光素酶分别位于两个载体上，。海肾荧光素酶常用载体为pRL-TK。萤火虫荧光素酶载体会根据实验需求进行不同的选择，比如启动子荧光分析相关研究可以选用Pgl3-Basic载体，miRNA与靶标基因相互作用的相关研究可以选用pMIR-REPORT载体。pRL-TKPgl3-BasicpMIR-REPORT第二种方案就是将萤火虫荧光素酶与海肾荧光素酶构建到一个载体上，这样偏差更小，在这方面，现在比较有名的是pmirGLO载体。05所使用的仪器是哪些？为了精确检测荧光素酶发出的光信号，需要高灵敏度的光学检测设备。广州博鹭腾生物科技有限公司生产的高灵敏度板式发光检测仪Lux-P110和管式发光检测仪Lux-T020可以检测到20zmol 荧光素酶，检测范围达到7个数量级，满足市面上绝大多数双荧光素酶报告体系的检测需求，目前已被多家学校、医院、企业所使用。本公司可免费提供样机试用，欢迎广大客户前来咨询和申请~

Ca2+作为普遍的第二信使在细胞信号转导过程中起着非常重要的作用，是单个细胞生存和死亡的信号。它参与了神经传导、血液凝固、肌肉收缩、心脏收缩、大脑功能、酶功能以及内分泌腺的激素分泌等各种生理机能。而人们对Ca2+在信号转导中作用的认识，则很大程度上取决于Ca2+测定技术。目前常用的Ca2+检测方法主要有：Ca2+选择性微电极测定法、同位素示踪法、核磁共振法和水母发光蛋白检测法等。01Ca2+选择性微电极测定法:Ca2+选择性微电极一种电化学敏感器。利用内充液和组织或细胞之间产生电位差，理想情况下，该电位差是Ca2+对数的线性函数，遵循Nernst方程。优点：直接、敏感地测定组织或细胞内的Ca2+，不需使用指示剂，不影响结合钙和游离钙的平衡。缺点：反应速度慢而无法测定Ca2+的快速变化，而且穿刺损伤细胞可引起渗漏，且不适用于太小的细胞。02同位素示踪法：用放射性核素45Ca2+对Ca2+进行示踪，可测量出通过细胞膜转运到细胞内Ca2+增加的速度及浓度的大小，揭示Ca2+泵的作用，目前主要用于测定跨膜Ca2+的流动。优点：测量方法简单易行，比普通化学分析法的灵敏度高。确定放射性示踪剂在组织器官内的定量分布，可以达到细胞、亚细胞乃至分子水平。缺点：静态效果差，需要特定的同位素测定仪，并且要注意示踪剂的同位素效应和放射效应问题。03核磁共振法：是一种新的、非光学技术的Ca2+检测方法。由于正常生物体内氟含量很少，为了得到足够的响应，在检测时需要使用含氟指示剂。该指示剂经过化学修饰后进入细胞，进而被水解成游离状态，然后与Ca2+结合，根据获得的波谱图计算出Ca2+的浓度。优点：具有非破坏性和无损伤性，能够在接近生物样本生理状态下连续动态地进行检测，准确反应Ca2+浓度。缺点：需要核磁共振仪，成本较高。04荧光探针法：目前常用的Ca2+荧光探针有Fluo-3、Fluo-4、Fluo-８等。这类探针本身无法进入细胞，但它的亲脂性衍生物却可以透过细胞膜进入细胞。一旦进入细胞，这类亲脂性衍生物的亲脂性封闭基团在细胞非特异性酯酶的作用下被分裂除去，在细胞内便会形成一种带负电荷的荧光染料。与胞内Ca2+结合时，其荧光强度显著增加。优点：指示剂易导入细胞，空间分辨率高，反应速度快，而且可同时检测多重离子。缺点：需要有荧光显微镜或激光共聚焦显微镜，成本较高。05水母发光蛋白检测法:最近十几年来，水母发光蛋白(Aequorin)很受人们的关注。水母发光蛋白由189个氨基酸组成，具有3个Ca2+结合的EFhand结构，所以水母发光蛋白可作为检测Ca2+的新型探针。优点：Ca2+/水母蛋白复合物能检测~0.1μm到＞100μm范围内的钙离子浓度，且复合物不会从细胞内泄露出来，可检测几小时至数十天内Ca2+浓度的变化。比荧光探针法的背景低，样本本身不会发生自荧光。腔肠素的性质腔肠素(Coelenterazine)作为海洋动物体内贮存光能的分子，它广泛存在于海洋生物体内，比如海肾、海蜇、水螅等。腔肠素是天然荧光素中最普遍的，它可作为很多荧光素酶的底物。目前研究得最透彻的以腔肠素为底物的荧光素酶来源于海肾（Renilla），即海肾荧光素酶（Renilla reniformis，简称Rluc）。腔肠素的工作原理腔肠荧光素是一个分子量约400 Da 的疏水基团，它可以自由穿越细胞膜。在一个以荧光素/荧光素酶为基础的系统中，腔肠素作为以水母发光蛋白为代表的海洋发光蛋白的辅助因子，与水母发光蛋白进行稳定的结合，引起脱辅基水母发光蛋白和腔肠荧光素之间的共价键破裂，腔肠荧光素(Coelenterazine)被氧化脱羧，形成腔肠酰胺（Coelenteramide），释放出CO2，同时发出波长为469nm的蓝色生物荧光，该荧光可用博鹭腾高灵敏度管式/板式发光检测仪进行测定。图1.腔肠素/水母发光蛋白检测Ca2+机制水母发光蛋白一旦和Ca2+反应即丧失发光功能，因此当一部分水母发光蛋白与Ca2+反应时，被消耗水母发光蛋白的发光强度能反映出Ca2+浓度变化，而且被消耗的水母发光蛋白的发光强度与Ca2+浓度之间存在线形关系。如同萤火虫荧光素酶，海肾荧光素酶的活性也不需要翻译后修饰，一旦翻译完成即可行使遗传报告基因的功能。但是与萤火虫荧光素酶又有差异，即腔肠素/荧光素酶系统不需要三磷酸腺苷（ATP），因此更利于生物荧光的研究。技术小结由于Ca2+在生命活动的各种生理生化反应、疾病的发生和发展中都扮演着极其重要的角色，而游离的Ca2+浓度变化又与细胞的功能、信号转导乃至细胞的凋亡有密不可分的联系，因此，研究如何检测细胞内游离Ca2+浓度显得尤为重要。Ca2+选择性微电极测定法不需要使用指示剂，但是穿刺过程会损伤细胞，进而引起渗漏。同位素示踪法简单，但是静态效果差，还需要注意同位素效应和放射效应问题。核磁共振法和荧光探针法都需要特定的仪器，成本较高。水母发光蛋白检测法不需要激发光源，因而消除了细胞自发荧光的干扰，背景荧光远低于使用钙离子指示剂的荧光。另外腔肠素具有疏水性，易于通过细胞膜，适于全细胞的研究。 腔肠素/水母发光蛋白的生物荧光反应对Ca2+浓度的变化非常敏感，但是这种发光相对较弱，因此需要使用高灵敏度的发光检测仪进行检测。 图2.Lux-T020高灵敏度管式发光检测仪 图3.Lux-P110高灵敏度板式发光检测仪博鹭腾公司的管式/板式发光检测仪采用超高灵敏度的低噪音单光子PMT，同时通过计数电子记录和分化脉冲 的单脉冲输出的能力来定义高数量级，从而实现更宽的动力学范围。高灵敏度板式发光检测仪设计了2个独立的喷射式自动进样器，精度高于97%。两款产品都适用于以水母发光蛋白为载体的 Ca2+ 浓度测定，极其微小的浓度变化也可以轻松检测。除了检测上述Ca2+ 浓度以外，博鹭腾高灵敏度管式/板式发光检测仪还可以测定活细胞内报告基因、ATP、活性氧、半胱天冬酶等指标。