루시페라아제

Luciferase
세균성 루시페라아제 모노옥시게나아제 패밀리
식별자
기호.Bac_luciferase
팜PF00296
인터프로IPR016048
프로 사이트PDOC00397
SCOP21nfp/SCOPe/SUPFAM
다이노플라주 루시페라아제 촉매 도메인
PDB 1vpr EBI.jpg
쌍편모충 링굴로디늄 폴리에드럼으로부터의 루시페라아제 도메인의 결정 구조
식별자
기호.루시페라아제_cat
팜PF10285
인터프로IPR018804
다이노플라주 루시페라아제/LBP N 말단 도메인
식별자
기호.루시페라아제n
팜PF05295
인터프로IPR007959
쌍편모 루시페라아제 헬리컬 번들 도메인
식별자
기호.루시페라아제_3h
팜PF10284
인터프로IPR018475

루시페라아제는 생물발광을 생성하는 산화효소의 총칭으로 보통 광단백질과 구별된다.이 이름은 기질과 효소를 위해 각각 [1]루시페린과 루시페라아제라는 단어를 만든 라파엘 두보아가 처음 사용했다.두 단어 모두 "번개잡이"를 뜻하는 라틴어 루시퍼에서 유래했으며, "빛"과 "가져오거나 운반하다"[2]를 뜻하는 라틴어에서 유래했다.

반딧불 루시페라아제
Firefly Luciferase Crystal Structure.rsh.png
Photinus pyralis 반딧불 루시페라아제 구조.
식별자
유기체피랄리스목
기호.반딧불 루시페라아제
PDB1LCI 기타 구조
유니프로트P08659
기타 데이터
EC 번호1.13.12.7

루시페라아제는 형광 단백질과 같은 많은 응용 분야에서 생물발광 이미징 현미경 검사와 리포터 유전자로 널리 사용됩니다.하지만 형광 단백질과 달리, 루시페라아제는 외부 광원을 필요로 하지 않고 소모성 기질인 루시페린을 첨가해야 합니다.

예

다양한 유기체가 다양한 발광 반응에서 서로 다른 루시페라아제를 사용하여 빛의 생성을 조절합니다.연구된 대부분의 루시퍼라아제들은 반딧불이를 포함한 동물들과 요각류, 해파리, 그리고 바다 팬시와 같은 많은 해양 동물들에서 발견되었다.하지만, 루시페라아제들은 Jack-O-Lantern 버섯과 같은 발광균류에서 연구되어 왔고, 발광 박테리아와 디노플라겔라테스를 포함한 다른 왕국에서도 연구되어 왔다.

반딧불이와 딱정벌레

반딧불이의 루시페라아제(그 중 2000종 이상이 존재)와 다른 딱정벌레과(일반적으로 딱정벌레와 친척)는 분자 계통 [3]발생에 유용할 만큼 충분히 다양합니다.반딧불이의 경우 필요한 산소는 복부 기관이라고 불리는 복부의 관을 통해 공급된다.잘 연구된 루시페라아제 중 하나는 Photinini 반딧불 Photinus pyralis로, 최적 pH는 7.[4]8입니다.

시팬지

또한 잘 연구된 것은 바다 팬시, 레닐라 레니폼리스입니다.루시페라아제(르닐라-루시페린 2-모노옥시게나아제)는 녹색 형광단백질(GFP)뿐만 아니라 루시페린 결합단백질과 밀접하게 관련되어 있다.칼슘은 루시페린 결합 단백질에서 루시페린(실레테라진)의 방출을 유발합니다.그런 다음 기질은 루시페라아제에 의해 산화에 이용 가능하며, 그 결과 발생하는 에너지 방출과 함께 실렌터아미드로 분해됩니다.GFP가 없을 경우 이 에너지는 푸른 빛의 광자로 방출된다(피크 방출 파장 482 nm).단, 밀접하게 관련되어 있는 GFP에 의해 루시페라아제에 의해 방출되는 에너지는 대신 GFP의 불소체에 대한 공명 에너지 전달에 의해 결합되어 녹색광의 광자(피크 발광 파장 510 nm)로서 방출된다.촉매 반응은 다음과 같습니다.[5]

요각류

최근에 밝혀진 새로운 루시퍼라아제들은 다른 루시퍼라아제와는 달리 자연적으로 분비되는 분자들이다.그러한 예로는 해양 요각류인 메트리디아 롱가에서 유래한 메트리디아 코엘레테라진 의존성 루시페라아제(MetLuc, A0A1L6CBM1)가 있다.Metridia longa 분비된 루시페라아제 유전자는 17개의 아미노산 잔류물의 N 말단 분비 신호 펩타이드를 포함하는 24kDa 단백질을 암호화한다.이 루시페라아제 분자의 민감도와 높은 신호 강도는 많은 리포터 연구에서 유리한 것으로 입증되었습니다.MetLuc와 같이 분비된 리포터 분자를 사용하는 것의 이점 중 일부는 동일한 [6]세포에서 살아있는 세포 분석과 다중 분석을 수행할 수 있는 무융착 프로토콜이다.

세균

포토박테륨, 비브리오 피셔리, 비브리오 하우이, 비브리오 하베이 등에서 세균성 생물발광이 나타난다.일부 생물발광세균의 발광은 루마진 단백질과 같은 '안테나'를 이용하여 루시페라아제 1차 들뜬 상태의 에너지를 받아들이며, 그 결과 짧은 파장(더 푸른색)의 빛을 방출하는 들뜬 루나진 발색단백질(YFP)을 생성하는 반면, 다른 것들은 플라빈 모노핵을 가진 노란색 형광단백질(YFP)을 사용한다.발색단으로서의 오타이드(FMN)와 루시페라아제로부터의 [7]빛과 비교하여 붉은 빛을 방출합니다.

쌍편모충류

Dinoflagellate 루시페라아제는 N-말단 도메인과 3개의 촉매 도메인으로 구성된 다도메인 진핵생물 단백질로, 각각 나선형 다발 도메인이 선행한다.다이노플라주 루시페라아제 촉매 도메인의 구조가 [8]해결되었습니다.도메인의 핵심 부분은 구조적으로 리포칼린 및 [8]FABP와 유사한 10개의 가닥이 있는 베타 배럴입니다.N 말단 도메인은 다이노플라주 루시페라아제와 루시페린 결합 단백질(LBPs) 사이에 보존됩니다.이 영역은 LBP와 루시페라아제 사이의 상호작용 또는 액포막과의 [9]관련성을 매개할 수 있다고 제안되어 왔다.나선 다발 도메인은 [8]효소의 pH 조절에 역할을 하는 것으로 생각되는 4개의 중요한 히스티딘을 보유하는 3개의 나선 다발 구조를 가지고 있다.pH8에서 다이노플라게라테 루시페라아제의 β배럴에는 테트라피롤 기질을 수용하기 위한 큰 포켓이 있지만 기질이 들어갈 수 있는 개구부는 없다.따라서 활성 부위의 배위자에 대한 접근과 공간을 제공하기 위해 중요한 구조 변화가 일어나야 하며, 이러한 변화의 원천은 네 개의 N-말단 히스티딘 [8]잔기를 통해서이다.pH 8에서, 비양성 히스티딘 잔기는 활성 부위에 대한 기질 접근을 차단하는 다발의 나선 계면의 수소 결합 네트워크에 관여하고 양성자화(pH 6.3에서) 또는 알라닌에 의한 히스티딘 잔기의 치환에 의해 이 상호작용의 중단에 의해 큰 분자 운동을 일으키는 것을 볼 수 있다.나선을 11Ω씩 분리하여 [8]촉매 부위를 개방합니다.논리적으로 히스티딘 잔기는 알라닌으로 대체될 수 없지만, 이 실험적인 치환은 더 큰 히스티딘 잔기가 활성 부위를 차단한다는 것을 더욱 확인시켜준다.또한 3개의 Gly-Gly 염기서열(N-말단 나선형 및 나선형 루프 나선형 모티브 2개)은 촉매 부위로 가는 경로를 더욱 열고 활성 [8]부위를 확대하기 위해 사슬이 회전하는 경첩 역할을 할 수 있다.

다이노플라겔라테스 루시페라아제는 그 기질([8]루시페린) 및 다이노플라겔라테스 내에서 발견되는 신티용 오르가넬 내의 루시페린 결합단백질(LBP)과의 상호작용에 의해 빛을 방출할 수 있다.루시페라아제는 빛을 방출하기 위해 루시페린과 LBP에 따라 작용하지만 각 성분은 다른 pH로 기능합니다.루시페라아제 및 그 도메인은 pH 8에서는 활성화되지 않지만 최적 pH 6.3에서는 매우 활성화되어 있는 반면, LBP는 pH 8에서 루시페린을 결합하고 pH 6.[8]3에서 방출합니다. 따라서 루시페린은 신티용이 pH 6.3으로 산성화되었을 때에만 활성 루시페라아제와 반응합니다.따라서 pH를 낮추기 위해 신티론막 내의 전압게이트 채널을 개방하여 기계적 [8]자극에서 생성된 활동전위를 가진 액포에서 양성자가 진입할 수 있도록 한다.따라서 액포막의 활동전위가 산성화로 이어지며, 이는 루시페린이 신티론에서 루시페라아제와 반응하여 푸른빛의 섬광을 발생시키는 것을 볼 수 있다.

반응 메커니즘

모든 루시페라아제는 산화환원효소(EC 1.13.12.-)로 분류되며, 이는 분자산소가 포함된 단일 공여자에 작용함을 의미합니다.루시페라아제들은 관련이 없는 많은 다양한 단백질 계열의 것이기 때문에, 어떤 메커니즘도 루시페라아제와 루시페린의 조합에 의존하기 때문에 통일된 메커니즘은 없습니다.그러나 지금까지의 모든 루시페라아제-루시페린 반응은 어떤 단계에서 분자 산소를 필요로 하는 것으로 나타났다.

세균성 루시페라아제

박테리아 루시페라아제에 의해 촉매되는 반응 또한 산화 과정이다.

  • FMNH2 + O2 + RCHO → FMN + RCOOH + HO + 라이트2

이 반응에서 분자산소는 플라빈 모노뉴클레오티드 및 긴 사슬의 지방족 알데히드를 지방족 카르본산으로 산화시킨다.이 반응은 들뜬 히드록시플라빈 중간체를 형성하고, 이는 제품 FMN으로 탈수되어 청록색 [10]빛을 방출한다.

반응으로 입력되는 거의 모든 에너지는 빛으로 변환됩니다.반응 [11]효율은 80%~90%[12]입니다.이에 비해 백열전구는 에너지의 약 10%만 빛으로[13] 변환하고 150루멘/와트(lm/W) LED는 입력 에너지의 20%를 가시광선으로 [12]변환합니다.

적용들

루시퍼라아제는 유전자 공학을 통해 여러 가지 목적으로 실험실에서 생산될 수 있다.루시페라아제 유전자는 합성되어 유기체에 삽입되거나 세포에 전달될 수 있다.2002년 현재, 쥐, 누에, 그리고 감자는 이미 단백질을 [14]생산하도록 조작된 몇몇 유기체일 뿐이다.

루시페라아제 반응에서, 루시페라아제가 적절한 루시페린 기질에 작용했을 때 빛이 방출된다.광자 방출은 광도계나 수정 광학 현미경 등의 빛에 민감한 장치에 의해 검출될 수 있다.이를 통해 생물학적 [15]과정을 관찰할 수 있습니다.루시페라아제 생물 발광에는 빛 들뜸이 필요하지 않기 때문에 자기 형광이 최소화되어 사실상 백그라운드 [16]프리 형광이 됩니다.따라서 표준 섬광 카운터를 [17]사용하여 0.02pg까지 정확하게 측정할 수 있다.

생물학 연구에서 루시페라아제는 관심 [18]프로모터의 통제 하에 루시페라아제 유전자를 포함한 유전자 구조에 의해 트랜스펙트된 세포의 전사 활성을 평가하기 위해 리포터로 흔히 사용된다.또한 특정 효소의 활성에 따라 루시페린으로 변환되는 프로루미네센스 분자는 결합 또는 2단계 루시페라아제 측정에서 효소 활성을 검출하기 위해 사용될 수 있다.이러한 기질은 카스파아제 활성 및 시토크롬 P450 활성을 검출하기 위해 사용되어 왔다.[15][18]

루시페라아제는 또한 세포생존성측정이나 [18][19]키나아제 활성측정에서 세포 ATP의 수준을 검출하는데 사용될 수 있다.루시페라아제는 바이오티닐화를 통해 ATP 센서 단백질 역할을 할 수 있다.바이오티닐화는 스트렙타비딘-비오틴 복합체에 결합함으로써 세포 표면에 루시페라아제를 고정시킬 것이다.이것은 루시페라아제가 세포에서 ATP의 유출을 감지하도록 하고 생물발광을 [20]통해 ATP의 실시간 방출을 효과적으로 보여줄 것입니다.루시페라아제는 단백질의 [21]배열에서 특정 아미노산 잔류물을 변화시킴으로써 발광 강도를 증가시킴으로써 ATP 검출에 더욱 민감하게 만들 수 있다.

전체 동물 이미징은 생쥐와 [22]같은 살아있는 동물의 세포 집단을 연구하기 위한 강력한 기술이다.민감한 전하 커플 장치 카메라(CCD 카메라)를 사용하여 살아있는 동물 내에서 비침습적 시각화를 가능하게 하는 루시페라아제를 발현하도록 다른 유형의 세포(예: 골수 줄기세포, T 세포)를 설계할 수 있다.이 기술은 종양의 발생과 동물 [23][24]모델에서의 치료에 대한 종양의 반응을 추적하기 위해 사용되어 왔다.그러나 환경적 요인 및 치료적 간섭은 증식 활동의 변화와 관련하여 종양 부담과 생물 발광 강도 사이에 일부 불일치를 일으킬 수 있다.생체내 이미징에 의해 측정된 신호의 강도는 루시페라아제 [25]양 외에 복막을 통한 D-루시페린 흡수, 혈류, 세포막 투과성, 보조 인자의 가용성, 세포 내 pH 및 오버레이 조직의 투명성 등 다양한 요인에 따라 달라질 수 있다.

루시페라아제는 열충격 단백질의 보호 능력을 테스트하는 단백질 변성에 대한 연구에 사용되는 열에 민감한 단백질입니다.루시페라아제를 사용할 기회는 계속 [26]확대되고 있습니다.

사회에서

2021년 11월, 보수성향의 매체 뉴스맥스의 백악관 특파원 에메랄드 로빈슨은 사람들을 [27][28]추적하는 데 사용된 COVID-19 백신이 루시페라아제를 포함하고 있다는 거짓 진술을 트위터에 올렸다.뉴스맥스는 에메랄드 로빈슨을 공중에서 제거했고 "우리는 어떤 백신에도 루시페라제나 루시페린이 존재하거나 어떤 종류의 생물발광 [29]마커로도 사용된다는 것을 암시하는 증거를 보지 못했다"고 말했다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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