生物发光lux系统的基因结构与应用优点

摘 要:

细菌生物发光lux系统的发现对生命科学研究是极大的促进。lux系统是包含5个基因的操纵子(luxCDABE),其中luxAB基因分别编码荧光酶(luciferase)的α和β亚基,是发光必需的基因。还原酶 (luxC)、转移酶 (luxD)和合成酶 (luxE)基因共同编码脂肪酸还原酶复合体,产生长链脂肪醛。

关键词:

细菌生物发光lux系统的发现对生物科学研究是极大的促进。发光细菌主要归于3个属:发光杆菌属(Photobacterium)、弧菌属(Vibrio)和致病杆菌属(Xenorhabdus)。在所有克隆的lux生物发光基因簇中都包括5个基因的操纵子(luxCDABE),它们的基因排列顺序也都相同。

luxAB基因分别编码荧光酶(luciferase)的α和β亚基,是发光所必需的基因。费氏弧菌的luxA基因含有1065bp,编码含355个氨基酸的α亚基,分子量为40 kD,是荧光酶的活性位点和功能亚单位;luxB基因含有972bp,编码含324个氨基酸的β亚基,分子量为36kD。α亚基和β亚基共同组成具有强活性的分子量为76kDa的荧光素酶二聚体。

还原酶 (luxC)、转移酶 (luxD)和合成酶 (luxE)基因共同编码脂肪酸还原酶复合体,产生长链脂肪醛。

由于长链脂肪醛可体外提供,故lux操纵子的应用可采用两种方法:添加外源性脂肪醛,只需克隆表达luxAB基因即可发光;也可利用整个lux操纵子,不需添加任何底物即可发光。

费氏弧菌lux操纵子还带有luxI和luxR基因编码的群感应(quorum sensing)系统,能激活luxCDABE操纵子的转录表达。费氏弧菌表达低水平的luxI产生少量的扩散性分子(diffusible molecule)N-(3-oxohexanoyl)-L-homoserine lactone (OHHL)。当费氏弧菌的浓度较高时,OHHL的浓度升高,然后结合 LuxR并活化luxCDABE和luxI的转录表达,从而引起发光。

lux发光系统的应用优点:

(l) 灵敏和线性范围宽:在非常低的含量水平和非常宽的范围内荧光酶含量与荧光强度呈线性关系。

(2) 快速、简便:测定时间不到ls或仅需1-3 m in。

(3) 在非发光生物体中无本底荧光酶活性,故非发光生物体发光本底等于零,其检测限主要受仪器本底噪音(暗电流)和胶膜(如果使用胶片照相)灵敏度的限制。

(4) 价廉:对于生物发光反应来说,底物(FMNH2,脂肪醛)的价格很低。

(5) 由于重复地使用脂肪醛对细胞一般是无害的,故在体外、液体或自然生境中可长时间非伤害地监测细胞中基因的转录和表达。

(6) 光不扩散也不在原位聚集,基因表达可在菌落内进行高分辨率的空间定位。

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