Биолюминесценция известна для различных представителей животного (и не только) мира, в том числе для некоторых насекомых. Люцифераза из светляка Photinus pyralis широко используется в качестве репортерного гена в различных областях молекулярной биологии. Люциферазы насекомых гомологичны ацил-коА синтетазам жирных кислот (fatty acyl-CoA synthetases, ACSLs), которые считаются эволюционными предками люциферазы. Соответствующий гомолог есть и у несветящейся дрозофилы. В недавней статье в PNAS американские ученые показали, что этот белок обладает способностью к люминесценции. Известно, что определенные мутации в люциферазе светлячка приводят к усилению люминесценции при использовании синтетических люциферинов, но снижают свечение при использовании природного D-люциферина. Это навело на мысль, что требования к люциферинам могут существенно отличаться у разных форм люцифераз, и, соответственно, у разных их гомологов. Следовательно, ACSLs могут обладать люциферазной активностью, хотя таковая и не обнаруживается при использовании D-люциферина. Для подтверждения этой гипотезы авторы использовали очищенную ACSL Дрозофилы (CG6178), и протестировали ее люциферазную активность в присутствии различных синтетических люциферинов. Один из люциферинов, CycLuc2, вызвал красное свечение (максимум эмиссии – 610 нм).
Интересно, что D-люциферин является конкурентным ингибитором для CycLuc2 – синтаза CG6178 связывает D-люциферин, но не способна катализировать его аденилирование. Свечение, вызываемое CG6178, оказалось более стабильным – оно отличается отсутствием "взрывной" (“burst”) фазы, характерной для обычной люциферазы (когда в течение первых нескольких секунд свечение резко возрастает, а затем переходит в более длительную стабильную фазу (“glow”phase)). Используя люциферин CycLuc2, авторы обнаружили люциферазную активность в т.н. шнейдеровских клетках дрозофилы, в которых CG6178 экспрессируется в норме. Применимость CG6178 в качестве люциферазы была протестирована на культуре клеток млекопитающих (CHO). ACSLs млекопитающих обнаруживают более низкую степень гомологии с люциферином светляка, и они оказались неспособны к люминесценции в присутствии CycLuc2. Однако, не исключено, что удачный подбор люциферина позволит обнаружить люциферазную активность и у млекопитающих.
Таким образом, появление люцифераз и биолюминесценции в ходе эволюции может быть проще, чем предполагалось ранее, и может быть обусловлено появлением подходящего субстрата при отсутствии серьезных мутаций в самих генах-предшественниках люцифераз. Селективность CG6178 в отношении CycLuc2 может быть использована в разработке новых субстрат-селективных люцифераз и соответствующих репортерных систем на их основе.
Источник: Mofford et al. PNAS 2014 111 (12) 4443-4448.
Картинка из обсуждаемой статьи:
A – реакция, катализируемая люциферазой из светляка
B – реакция, катализируемая ACSLs
P.S. В качестве дополнительного чтения можно предложить старую, но интересную популярную статью о биолюминесценции Ю.А.Лабаса (1933-2008), одного из идейных вдохновителей открытия и исследования флуоресцентных белков в России: Журнал "Природа", № 2, 2003
авторский текст
