熒光素酶（luciferase）是自然界生物體內(nèi)催化熒光素（luciferin）等物質發(fā)光的一類酶的統(tǒng)稱。和熒光素酶一樣，熒光素也是對能產(chǎn)生熒光的一類底物的統(tǒng)稱。不同的發(fā)光生物使用不同的熒光素酶催化不同的底物產(chǎn)生不同顏色的熒光。比較常見的熒光素酶有螢火蟲熒光素酶（firefly luciferase），細菌熒光素酶（bacterial luciferase），海洋生物熒光素酶（marine organism luciferase）等。

目前，應用最廣的是北美螢火蟲來源的熒光素酶基因及其編碼的由550個氨基酸組成的熒光素酶蛋白，螢火蟲熒光素酶與熒光素在氧氣存在的條件下發(fā)生發(fā)光反應（圖1），這個反應能將幾乎所有的輸入能量都轉化為光，能量使用十分高效。同時，反應產(chǎn)生熒光的組織穿透能力明顯強于綠色熒光蛋白（GFP）；該反應是酶與底物相互反應發(fā)光，具有高特異性；熒光產(chǎn)生的過程不需要激發(fā)光的存在，幾乎沒有背景信號，信噪比高。優(yōu)點真是不要太多。

圖1.熒光素酶與熒光素的發(fā)光反應

熒光素酶在生物學領域目前主要的應用有：

1. 標記基因，將熒光素酶基因插入不同基因啟動子后成為該基因表達的報告基因，加入底物后通過檢測熒光強度來檢測目的基因的表達；

2. 標記細胞，將熒光素酶基因轉染細胞，使細胞表達熒光素酶，通過檢測其與熒光素反應產(chǎn)生熒光來監(jiān)測細胞生長、增殖、信號轉導等細胞生命活動；

3. 標記微生物，通過電穿孔、基因插入等方式標記寄生蟲、細菌、病毒等，再通過熒光示蹤對微生物在機體內(nèi)的繁殖、傳播規(guī)律以及治療藥物的篩選進行研究；

4. 活體生物體內(nèi)成像，主要通過熒光素酶基因標記活體細胞、動物，然后通過活體成像系統(tǒng)對熒光進行檢測，能直觀、快速、無創(chuàng)的對活體進行檢測。目前已大量應用于腫瘤動物模型和藥物篩選中。

活體生物體內(nèi)成像案例一枚（裸鼠肝臟原位成瘤模型）：

1.  取處于對數(shù)生長期的HepG2-luc細胞（穩(wěn)定轉染了Luciferase基因的HepG2細胞），消化、離心、細胞計數(shù)，將約5×10 6個細胞溶于0.1 mL DMEM培養(yǎng)液。

2. 用3%戊巴比妥鈉麻醉小鼠，待麻醉生效后，開腹暴露肝臟，用1ml胰島素注射針取步驟1中的細胞懸液注射裸鼠肝臟，用5-0絲線縫合傷口，活力碘消毒傷口，將裸鼠放在加熱墊上，待清醒后正常飲食飼養(yǎng)，觀察腫瘤的生長。

3. 手術后不同時間對模型動物進行生物發(fā)光活體成像檢測，具體過程：用3%戊巴比妥鈉麻醉小鼠，再通過腹腔注射3mg底物luciferin，20~30分鐘后放入活體成像系統(tǒng)進行熒光檢測，并拍照記錄。

圖2.HepG2-luc肝臟原位成瘤的活體成像

圖3. B16-luc皮下成瘤的活體成像

圖4. Luc標記細胞的活體成像

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