本文關鍵詞：報告基因熒光素酶在科研中的應用，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

中華腫瘤防治雜志 2009 年 5 月第 16 卷第 9 期 　　CH IN J CA N CE R PREV T REA T , M ay 2009 , V ol . 16 　N o. 9

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〖 綜述 · 講座〗

報告基因熒光素酶在科研中的應用
杜彥艷 , 　單保恩
河北醫(yī)科大學

第四醫(yī)院科研中心 , 河北 石家莊 050011

Reporter gene luciferase in application of scientific research
DU Y an-y an , S H AN Bao-en Research Center , Fourth Hospital o f Hebei Medical University , S hijiazhuang 050011 , P . R. China 【 摘要】　目 的 : 總 結報 告基 因 熒光 素酶 在 醫(yī)學 研究中的新進 展 。 方 法 : 應用 pubmed 及 CNK I 期刊全文 數(shù)據(jù)庫 , 以“ 報 告基 因和 熒 光 素 酶 ” 為 關 鍵 詞 , 檢 索 1996 -01 2007 -12相關文 獻 , 共 收集 文獻 617 篇 。 納 入標 準 : 1) 熒光素酶 的生物學特 性 ; 2) 熒光 素酶 作 為 報 告 基 因 的 應 用 。 根 據(jù) 納 入 標 準 , 精選 55 篇 文獻 , 并查 看 每篇 文 獻后 的 引文 , 最后納入 19 篇文 獻進 行了綜 述 。 結 果: 熒 光素 酶是 在氧 氣 存在 下使 底物 發(fā)光 的 一類 酶 , 該酶 類與 底 物的 結合 特異 性很 強 , 檢出的靈敏度 高 , 因 沒有激 發(fā)光的 非特 異性 干擾 , 信噪比 較高 , 具有其 他報告 基因 不 可替 代的 優(yōu)勢 , 在 基 因工 程研 究中 被廣 泛 作為 報告 基因 用于 單個 細胞 、 轉基 因生 物 、動物 和 人 體 基 因表 達 的 實 時 、 低 光 成 像 , 是一種非常 實用的 研究 方法 。 結 論 : 熒 光素酶作為報告基因顯示出良 好的前景 , 已 成為醫(yī)學研究領域的重要工具 , 特別是對推 動基因工程研究的發(fā)展具有重要作用 。
中華腫瘤防治雜志 , 2009 , 16( 9) : 715 -718

[ ABSTRACT] 　OBJECTIVE: T o review adv ances of repor te r gene lucife rase in the new pro g ress in the scientific research .METH ODS :L ucife rase -rela ted litera tur e was re trieved in PubM ed and cnki fro m 1996 . 1 to 2007 . 12 .K ey wo rds w ere repor ter gene and lucife rase , and 617 ar ticals were go t toge ther .T he included c riteria : 1) L ucife rase biolog ical cha racteristics .2) L ucife rase applicatio n as repo rter g ene . F ifty-five paper s we re fur the r studied , a nd o f w hich references w ere looked for .Finally 19 do cuments wer e reviewed . RESULTS:Luciferases ar e enzy mes that emit ligh t in the presence o f ox yg en and a substra te ( luciferin), and which are highly specific and hav e hig h sensitivity , and in the absence o f e xcitation lig ht , they have non-specific interfere nce , so the sig nal-no ise ratio is high . T hey have irreplaceable advantages to other repo rter g enes .T hey hav e been w ide ly used for real - time , lo w-lig ht imaging o f gene e xpression in ce ll culture s , individua l cells , who le o rganisms , a nd transgenic o rg anism s . It is a v ery practical research method . CONCLUSION :Lucifer ase as a repor ter ge ne has show n g oo d pro spects , it has y et become an impo rtant to ol in the scie ntific resea rch fields , and has promo ted the g ene tic engineering research in par ticular .
Chin J Cancer P rev Treat , 2009 , 16( 9) : 715 -718

【 關鍵詞】　基因 , 報告 ; 熒光素酶類 ; 綜述文獻 [ KEYWORDS ] 　g enes , repor te r ; luciferases ;review lite rature 【 中圖分類號】　R73 -3 　　　【 文獻標識碼】 　A 　　　【 文章編號】　1673 -5269( 2009) 09 -0715 -04

　　報告基因是一種易于檢測蛋白質或酶等表達產(chǎn)物 的基因 。 把報告基因的編碼序列和基因表達調節(jié)序列 融合形成嵌合基因 , 或與其他目的基因融合 , 在調控序 列控制下進行表達 , 通過報告基因的表達產(chǎn)物來標定
【 第一作者簡介】　杜彥艷 , 女 , 河北正定人 , 主要 從事抗腫瘤 中 藥的研究工作 。 T el :86 -311 -86095290 E -mail :duyanya n9868 @hotmail . co m 【 通訊作者簡介】　單保恩 , 男 , 河北邯鄲人 , 博士 , 教授 , 博士 生 導師 , 主要從事腫瘤免疫學和抗腫瘤中藥的研 究工作 。 T el : 86 -311 -86095283 　E-mail : baoenshan @yahoo . com . cn

目的基因的表達狀況 。 作為報告基因 , 在遺傳選擇和 篩選檢測方面必須具有以下幾個條件 : 1) 已被克隆或 全序列已被測定 ; 2) 表達產(chǎn)物在受體細胞中不存在 , 在 被轉染細胞中無相似的內(nèi)源性表達產(chǎn)物 ; 3) 其表達產(chǎn) 物能進行定量測定 。 在轉基因 、基因啟動子分析以及 藥物篩選等領域 , 由于報告基因技術具有靈敏度高 、 檢 測方便等特點 , 已被廣泛的應用 。

1 　熒光素酶的來源和性質
熒光素酶是生物體內(nèi)催化熒光素( lucif erin) 或脂 肪醛( fi ref ly aldehyde) 氧化發(fā)光的一類酶的總 稱 , 來 自于自然界能夠發(fā)光的生物 。 根據(jù)來源生物種類的不

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杜彥艷 , 等 　報告基因熒光素酶在科研中的應用

同 , 可將熒光素酶分為螢火蟲熒光素酶( fi ref ly lucif erase , F L )和 細 菌 熒 光 素 酶 ( bacte rial lucif erase ,
[ 1] BL) 。 細菌熒光素酶對熱敏感 , 因此在哺乳細胞的

在研究非甾體抗炎藥( NSAIDs) 塞來考昔的抗結腸癌 作用機制時發(fā)現(xiàn) , 它可以通過抑制 Survivin 基因的表 達 , 誘導結腸癌細胞的凋亡 。 進一步通過 PCR 方法將 S urvivi n 基 因 啟動 子 相對 于 5′ 起 始 密 碼 子上 游 的 1 594/ 18 bp 區(qū)從人類基因組 DNA 中擴增出來 , 亞克隆到螢火蟲熒光素酶報告載體 ( pG L3-Basic) ,合 成 pG L3-1594( -1 594/ 18 bp) 質粒 ; 再通過 PC R 方 法從 pGL3-1594( -1 594/ -18 bp) 質粒中得到一系 列 包 含 Survivin 不 同 長 度 啟 動 子 的 質 粒 ( 418/ -18 、-326/ -18 、-211/ -18 、 -75/ -18 、 65/ 18 、55/ -18 、-45/ 18 和 -34/ -18 bp ) , 將這些質粒分別轉染結腸癌細胞 18 h 后 , 用塞來考昔 作用 24 h , 通過監(jiān)測熒光素酶的活性來了解 Survivin 的表達情況 。 結果發(fā) 現(xiàn) , 塞來考 昔可明 顯降 低 Survivi n 的表達 、誘導腫瘤細胞凋亡 , 其作用是通過抑制 S urvivi n 基 因 啟 動 子 中 相 對 于 起 始 密 碼 子 75/ 66 bp區(qū)的轉錄活性起作用的 。 Jiang 等
[ 7]

應用中受到限制 。 目前 , 以 北美螢火蟲 ( No rth Am erica fi ref ly ) 來源的熒光素酶基因應用的最為廣泛 , 該基因可編碼產(chǎn)生 550 個氨基酸的熒光素酶蛋白[ 3] 。 近年來 , 在深海中又發(fā)現(xiàn)了海洋腔腸熒光素酶 , 它所催 化的底物海洋腔腸熒光素具有膜通透性 , 且在哺乳動 物細胞中無內(nèi)源性活力 , 是保持活細胞完整性最佳的 報告基因
[ 4]

[ 2]

。

2 　熒光素酶的發(fā)光機制
生物熒光實質是一種化學熒光[ 3] 。 BL 以脂肪醛 ( RCH O) 為底物 , 在還原型黃素單核苷酸 ( F M NH 2) 及氧的參與下 , 使脂肪醛在被氧化為脂肪酸的同時放 出光子 , 產(chǎn)生 490 nm 的熒光
RCHO +O2 +F M N H 2 　 BL
[ 1]

, 其化學反應式如下 。

※ 　RCO O H +H 2 O +F M N +光
2+

　　F L 基因來自螢火蟲 , 在 M g

、AT P 、O2 的參與

用 Lucif erase 法 檢 測 胃 癌 細 胞

下 , 催化 D-熒光素( D-lucif eri n) 氧化脫羧 , 產(chǎn)生激活態(tài) 的氧化熒光素 , 并放出光子 , 產(chǎn)生 550 ～ 580 nm 的熒 光[ 1] , 其化學反應式如下 。
Mg D -熒光素 + AT P + O2 F L 、
2+

BGC-823端粒酶逆轉錄酶 ( hT ERT ) 啟 動子轉錄活性 時發(fā)現(xiàn) , 轉染 h T ERT 啟動子基因的細胞用多西紫杉 醇作用 0 、 6 、12 、24 、36 和 48 h 后 , 隨著作用時間的延 長 , Luc/β-gal 值逐漸減小 , 表現(xiàn)出時間依賴性的抑制 作用 , 表明多西紫杉醇抑制端粒酶及其亞基基因的表 達是對 hT ERT 啟 動 子 活 性 抑 制 作用 的 可 能 機 制 之一 。 4. 2 　熒光素酶基因標記細胞 報告基因技術已被廣泛應用于體外監(jiān)測細胞生長 和增殖 , 以及與基 因表達和 信號轉導 有關的細 胞活 動 。 理論上 , 機體內(nèi)任何一種細胞 ( 尤其是癌細胞 、 造血細胞 、 干細胞等) 在體外( 如基因轉染 ) 或體內(nèi)( 如 直接注射) 標記上熒光素酶后 , 都可以通過閃爍計數(shù)器 或分子成像技術進行定量或體內(nèi)跟蹤 , 以了解細胞的 增殖反應強度以及其在體內(nèi)生長轉移規(guī)律 , 或利用細 胞( 主要是免疫細胞) 進行生物治療等 。 Ozawa 等[ 8] 在 研究骨髓間充質干細胞 ( MSCs) 對不同疾病的細胞和 基因治療中 , 通過遺傳修飾 M SC s , 使它產(chǎn)生編碼單純 皰疹病毒胸苷激酶的逆轉錄病毒載體 , 即 VP-MSCs , 從而增強 全 身性 癌 基因 殺 傷療 法 ( sy stemic suicide cancer gene therapy ) 的治療效果 。 為了評估 MSCs 的 腫瘤 趨 向 性 , 用 熒 光 素 酶 分 別 標 記 M SC s 和 VPMSCs , 于左心室注射神經(jīng)膠質瘤細胞 9L 的荷瘤裸鼠 后 , 用活體內(nèi)成像分析表明 , 轉基因在裸鼠 9L 皮下腫 瘤內(nèi)積聚 , 并且 VP-MSCs 比 M SCs 產(chǎn)生更強的生物 熒光信號 , 說明 VP-M SCs 的療效更佳 , 為 MSCs 對不 同疾病的細胞和基因治療效果觀察提 供了更科學的 依據(jù) 。 4. 3 　熒光素酶基因標記微生物
[ 2]

※

氧化 熒光素 +CO 2 +A M P +Pi +光

　　這種無需激發(fā)光就可發(fā)出偏紅色的生物熒光 , 其 組織穿透能力明顯強于綠色熒光蛋白( GF P) 。 熒光素 酶是靠酶和底物的相互反應發(fā)光 , 特異性很強 , 靈敏度 高 , 由于 沒有 激 發(fā)光 的非 特 異性 干 擾 , 信 噪 比也 比 較高 。

3 　熒光素酶的檢測方法
依賴生物發(fā)光特性 , 利用閃爍計數(shù)器( scintill ation [ 5] counter) 對熒光素酶的活性作出定量檢測 。 在標準 反應條件下 , 加入超量底物 , 經(jīng)一定時間內(nèi) , 熒光閃爍 總數(shù)與樣品中存在熒光素酶的活性成正比 。 另外 , 也 可以采用光自顯影法對熒光素酶進行定性檢測[ 4] 。

4 　應用
熒光素酶基因可用于標記基因 、 細胞和活體動物 。 標記方法是通過分子生物學克隆技術 , 將熒光素酶基 因插到預期分析的細胞染色體內(nèi) , 通過單克隆細胞技 術的篩選 , 培養(yǎng)出能穩(wěn)定表達熒光素酶的細胞株 。 由 于現(xiàn)代化實驗儀器可以檢測到 10 -19 mol 的熒光素酶 , 所以應用該方法的靈敏度很高 。 4. 1 　熒光素酶基因標記基因 熒光素酶基因插入不同基因啟動子( prom ot er) 之 后 , 成為該基因表達的報告基因 , 通過監(jiān)測報告基因可 實現(xiàn)對目標基因表達的監(jiān)測 。 Sakoguchi-Okada 等
[ 6]

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將熒光素酶基因標記微生物后 , 可以對標記有熒 光素酶的微生物( 如腺病毒 、 細菌等) 進行示蹤 , 了解他 們在機體內(nèi)的傳播規(guī)律以及藥物對他們的作用 。 因為 死的微生物不能表達報告基因 , 所以可以通過觀察報 告基因的消失來判斷藥物療效 。 這個快速發(fā)展的領域 將會更加有助于在不同水平深入了解宿主-微生物的 相互作用 。 Saeij 等
[ 9]

酶可以滿足如兼容化學特性 、操作條件 、 反應速度 、監(jiān) 測靈敏度 、 線性范圍和儀器需要等要求 , 使用標準的手 工熒光照度儀可在 30 s 內(nèi)完成測試 。 目前 , 這套系統(tǒng) 已開始商品化 。 P arso ns 等 在同時評價 藥物在 兩種不同 G 蛋白偶聯(lián)受體亞型的活性時使用雙熒光 素酶報告基因系統(tǒng) , 分別構建了轉染人促腎上腺皮質 激素釋放激素 1( hC RH1) 受體和螢火蟲熒光素酶報告 基因或 hC RH 2 和海腎熒光素酶報告基因的穩(wěn)定細胞 系 , 這些細胞系可以分別提供針對 C RH 1 和 CRH 2 受 體不同的熒光素酶計數(shù) ; 而且在接受不同刺激后 , 可以 在 96 孔板中直接進行高通量熒光素酶發(fā)光測定 。 結 果顯示 , 非選擇性 C RH 拮抗劑可以阻斷增效劑誘導 的 CRH 1 和 C RH 2 受 體熒光素酶的 增加 , 而 選擇性 C RH 1 拮抗劑僅阻斷特異性 C RH1 增效劑蛙皮降壓 肽誘導的 C RH 1 受體熒光素酶的增 加 。 這些數(shù)據(jù)提 示 CRH 1 和 CRH 2 受體的不同藥理學特性 。 這種方 法也使在同一塊 96 孔板中同時研究兩種受體亞型成 為可能 。 為雙熒光報告系統(tǒng)用于基礎研究和復合物篩 選提供了依據(jù) 。
[ 14] [ 15]

用熒 光素酶分別標記兩種不同

菌種 S22 和 S23 的鼠弓形體并且感染小鼠 , 發(fā)現(xiàn)它們 在小鼠體內(nèi)具有不同的繁殖 、播散和再活化特點 。 為 研究病原微生物感染進程 、 發(fā)病機制和宿主對疾病的 反應提供了新的思路 。 4. 4 　活體生物體內(nèi)成像 活體動物生物發(fā)光的檢測 , 需要一套活體成像系 統(tǒng) , 它是 由一 個 高度 靈 敏的 冷 CCD ( charge-coupled device) 相機 , 特別設計的成像暗箱和成像 軟件組成 。 成像軟件可以分析 、組織和儲存數(shù)據(jù) 。 熒光素酶基因 ( L UC ) 標記的 基因 、細胞 和動物 , 使科研人員能夠通過活體生物體成像系統(tǒng)直接監(jiān)控生 物體內(nèi)的細胞活動和基因行為 。 特別是在各種類型的 腫瘤研究中 , 能夠直接快速地測量各種腫瘤動物模型 中腫瘤細胞的生長和轉移狀態(tài) , 并可對治療中腫瘤細 胞的變化進行實時觀測和評估 。 能夠無創(chuàng)傷對動物整 體的原位瘤 、 轉移瘤及自發(fā)瘤進行檢測及計量 , 即使微 小的遷移也能被檢出[ 10-11] 。 傳統(tǒng)的動物實驗方法需要 在不同時間點宰殺實驗動物以獲得數(shù)據(jù) , 得到多個時 間點的實驗結果 。 相比之下 , 體內(nèi)可見光成像通過對 同一組實驗對象在不同時間點進行記錄 , 跟蹤同一觀 察目標( 標記細胞及基因) 的移動及變化 , 由于能夠對 同一動物進行連續(xù)檢測 , 在最大程度上減少了不同實 驗動物之間的個體差異以及傳統(tǒng)檢測方法的誤差所造 成的對實驗結果的影響 , 更重要的是活體生物螢光成 像技術的敏感性極高 。 Edinger 等
[ 12]

圖 1 　生物發(fā)光成像體外顯示大鼠腫瘤以及大組織標本
A: 大鼠體外腫瘤的位置 ; B: 處死大鼠后解剖所示腫瘤位置

4. 6 　藥物篩選 近年來 , 細胞因子作為新藥研究和開發(fā)逐漸成為 研究熱點 。 由于有機小分子化合物具有高效 、 安全 、 成 本低和穩(wěn)定等優(yōu)點 , 通過高效和特異的篩藥模型篩選 有機小分子化合物成為新藥研制領域 的一項重要課 題 。 隨著基因組及蛋白組學研究的不斷進展 , 為新藥 研究提供了大量靶標 , 而在靶標的分子生物學研究取 得的成果使得對靶標基因表達更精確 、更敏感 、 更微觀 [ 16] 調控元件的研究成為可能 。 熒光素酶則滿足了藥 物篩選的特異靶點 、高敏感性 、 高通量的要求[ 17] 。 T ian 等 進行的新藥篩選工作就是基于造血生 長因子及其受體 JA K-ST A T 信號轉導 , 以人工合成的 4 個拷貝的 ST A T 結合序列為調控序列 , 以熒光素酶 基因為報告基因 , 將構建的表達載體導入轉染粒細胞 集落刺激因子( G-CSF) 受體的 4B6 細胞中 。 利用此細 胞進行篩選發(fā)現(xiàn)了一個有機小分子 SB 247464 , 該分 子在 4B6 細胞中能夠同 G-CSF 一樣 , 啟動熒光素酶基
[ 18]

報道 , 活體生物

螢光成像技術檢測腫瘤細胞的敏感性甚至超過了流式 細胞儀 。 Z eama ri 等[ 13] 用非侵襲性生物發(fā)光成像系統(tǒng) 監(jiān)測轉染了熒光素酶的 CC531 結腸癌細胞在 WAG / RIJD 大鼠腹腔的增長情況 , 結果顯示 , 檢測到的發(fā)光 信號與處死動物后解剖觀察腹膜腔而得到的對腫瘤鑒 定具有很好的相關性 ( 圖 1) , 為科研工作者使用活體 生物體內(nèi)成像技術提供了依據(jù) 。 4. 5 　雙熒光報告系統(tǒng) 理想的雙報告基因方法使研究者能夠以螢火蟲熒 光素酶所具有的速度 、靈敏度和線性范圍對同一樣品 中的兩個報告基因同時測定 , 這在傳統(tǒng)的報告基因如 氯霉素乙酰轉移酶( CA T) 、 β-半乳糖苷酶 ( β-Gal) 和葡 萄糖醛酸糖苷酶 ( G US) 等均由于其測試化學 、 處理要 求等所固有的局限性是不可能達到的 。 隨著對海洋腔 腸熒光素酶的發(fā)現(xiàn) , 結合螢火蟲和海洋腔腸雙熒光素

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杜彥艷 , 等 　報告基因熒光素酶在科研中的應用 [ 8] 　O zaw a K , Sato K , O h I , et al . Cell and gene t herapy using m esenchym al s tem cel ls ( M SCs)[ J] . J Au t oim mun , 2008 , 30( 3) : 121-127 . [ 9] 　 S aeij J P , Boyl e J P , G ri gg M E , et al . Biolumi nes cen ce i magin g of T oxoplasma gondii inf ect ion i n living mice reveals dramatic di ff erences betw een st rai ns[ J] . Inf ect Immun , 2005 , 73( 2) : 695 702. [ 10] 　Jen ki ns D E , Oei Y , Hornig Y S , et al . Biolumi nes cen t i magin g ( BLI) t o imp rove and ref ine t radit ional murin e models of tum or g row t h and m et ast asi s[ J] . C lin Ex p M etas tasis , 2003 , 20( 8) : 773-744 . [ 11] 　Bhaumik S , G amb hir S S . O p tical im aging of Renill a lu cif erase report er gene exp res si on in living mi ce[ J] . Proc N atl A cad Sci US A , 2002 , 99( 1) : 377-382 . [ 12] 　Edi nger M , C ao Y A , V erneri s M R , et al . Revealing lymph oma g row t h and the eff icacy of imm une cell t herapies using i n vivo bi ol uminescence im aging[ J] . Blood , 2003 , 101( 2) : 640 -648 . [ 13] 　Zeamari S , Rumpi ng G , Floot B , et al . In vivo biolu minescence im aging of locally dis semi nat ed col on carci noma in rat s[ J] . Br J Cancer , 2004 , 90 : 1259-1264 . [ 14] 　薛麗香 , 童坦君 , 張宗玉 , 等 . 報告基因的選擇及其研究趨向[ J] .

因表達 。 避免了有機大分子類藥物不宜口服 、 毒性較 大等缺點 , 并且可以 SB247464 為先導化合 , 經(jīng)過組合 化學方法的改造完善其結構 , 易得到高活性的有機小 分子化合物 。 Ashuto sh 等[ 19] 構建了表達熒光素酶基因的杜利 氏曼原蟲模型 , 從而可以實現(xiàn)體外抗杜利氏曼原蟲的 高通量藥物篩選 , 彌補了過去抗杜利氏曼原蟲藥物篩 選技術方法費時 、 費力和難于定量檢測的不足 。 這種 方法為科研工作者使用熒光素酶進行高通量藥物篩選 提供了依據(jù) 。

5 　展望
隨著報告基因技術的發(fā)展 、檢測方法的改進以及 更多無毒害報告基因的發(fā)現(xiàn) , 相信在不遠的將來 , 報告 基因技術也將會作為新技術用于臨床實踐 , 擴展到臨 床檢驗及藥 物治療等 領域 , 服務于人 類的醫(yī)療 衛(wèi)生 事業(yè) 。

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收稿日期 : 2008 -10 -30 　修回日期 : 2009 -02 -05 ( 編輯 : 史本玲)



  本文關鍵詞：報告基因熒光素酶在科研中的應用，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。