Биолюминесце́нтная систе́ма динофи́товых во́дорослей, набор белков и небольших органических молекул, позволяющих некоторым представителям динофитовых водорослей (динофлагеллят) испускать свет. Ключевые компоненты системы: люциферин, люцифераза и у некоторых видов люциферин-связывающий белок. У части видов биолюминесцентная система локализована внутри клеток в специальных органеллах – сцинтилионах. Свечение некоторых динофлагеллят связано с циркадными ритмами. Биолюминесцентная система динофитовых водорослей изучена относительно слабо, а метод химического синтеза люциферина не разработан, по этим причинам она мало используется в практических приложениях для биомедицинских исследований.

Динофитовые водоросли, известные также как динофлагелляты (Dinoflagellata), – большая группа простейших, важная составляющая морских и пресноводных экологических систем. Они играют ключевую роль во вредоносном цветении водорослей, или красном приливе (Hallegraeff. 1993). Однако гораздо больше они известны благодаря явлению, часто ошибочно называемому «фосфоресценцией морского прибоя».

Динофлагелляты – это наиболее представительная группа биолюминесцентных организмов, наряду со светлячками. На данный момент известно около 3,5 тыс. видов динофитовых водорослей, для 68 из которых показано наличие биолюминесценции (A review of the measurement ... 2013). Для экологов, изучающих морские экосистемы, биолюминесценция динофлагеллят является важным источником информации о загрязнённости воды и состоянии экосистемы конкретного участка морской акватории (Stimulated bioluminescence ... 2014).

Примеры применения биолюминесцентной системы динофлагеллят в биомедицинских исследованиях единичны, но работы в этом направлении ведутся.

История открытия

Исследования люминесценции динофлагеллят начались в 1-й половине 20 в. с работ Дж. Хейстингса (Hastings. 1957). Ещё на ранних стадиях изучения биолюминесцентной системы динофлагеллят показано, что свечение организмов может быть связано с циркадными ритмами.

Дальнейшие исследования выявили внутри клеток некоторых динофлагеллят специальные органеллы – сцинтилионы, отвечающие за свечение организма в ответ на механическую или электрическую стимуляцию (Characterization of the bioluminescent organelles in Gonyaulax polyedra ... 1987; Fogel. 1972). Также было установлено, что биолюминесцентная система фотосинтезирующих динофлагеллят, за исключением группы Pyrocystis, состоит из люциферина, люциферазы и люциферин-связывающего белка (Fuller. 1972; Henry. 1974). Люциферин-связывающий белок имеет сильное сродство к люциферину и защищает последний от спонтанного окисления кислородом. В биолюминесцентной системе Pyrocystis lunula выявлено отсутствие люциферин-связывающего белка. Впоследствии было показано, что уровень экспрессии люциферазы, люциферин-связывающего белка и количество сцинтилионов у Gonyaulax polyedra (ныне Lingulodinium polyedrum) находятся под контролем циркадных ритмов (Hastings. 2007; Circadian regulation of bioluminescence ... 1989; Mittag. 1998).

Химическая структура люциферина динофлагеллят установлена в 1989 г. (Structure of dinoflagellate luciferin ... 1989), хотя первые частично очищенные препараты люциферазы получены из Gonyaulax polyedra во второй половине 20 в. (Hastings. 1957; Bode. 1963). Из того же вида выделена, охарактеризована и клонирована первая люцифераза динофлагеллят (Bae. 1994). В дальнейшем клонированы люциферазы нескольких других видов.

Люциферин динофитовых водорослей

Несмотря на то что химическая структура люциферина динофлагеллят установлена в 1989 г. (Structure of dinoflagellate luciferin and its enzymic and nonenzymic air-oxidation products. 1989), вопрос о детальном механизме биолюминесцентной реакции остаётся открытым до сих пор (Valiadi. 2013).Структурная формула люциферинов динофитовых водорослей и рачков криля.Структурная формула люциферинов динофитовых водорослей и рачков криля. В большинстве известных биолюминесцентных систем возбуждённый оксилюциферин является источником излучения света, однако у динофлагеллят оксилюциферин не обладает флуоресценцией, в отличие от люциферина, флуоресценция которого имеет длину волны максимум 474 нм, что совпадает с максимумом биолюминесценции (Structure of dinoflagellate luciferin ... 1989; Dunlap. 1981). Также известно, что люциферин Pyrocystis lunula способен вступать в реакцию не только с люциферазами других видов динофлагеллят, но и с люциферазами рачков криля (Euphasia superba), что позволяет сделать предположения о схожести люциферинов динофлагеллят и криля, а также о том, что, по-видимому, биолюминесцентные системы всех динофлагеллят используют один и тот же люциферин (Dinoflagellate bioluminescence ... 1976; Hamman. 1972).

Люцифераза

Наиболее изученными являются люциферазы видов Gonyaulax polyedra, Pyrocystis lunula и Noctiluca scintillians.

Люцифераза Gonyaulax polyedra – белок с молекулярной массой 130 кДа, состоящий из 3 гомологичных доменов, каждый из которых обладает люциферазной активностью (Liming Li. 1997; Crystal structure ... 2005). Как полноразмерная люцифераза Gonyaulax polyedra, так и каждый из её доменов в отдельности имеют рН-оптимум биолюминесцентной реакции около 6,3 и практически полностью теряют активность при повышении рН реакционной смеси до 8,0.

В 2005 г. установлена пространственная структура третьего домена люциферазы Gonyaulax polyedra (Crystal structure... 2005). Структурно он состоит из 2 основных частей: каталитической, несущей сайт связывания люциферина, и регуляторной, отвечающей за рН-зависимую регуляцию работы люциферазы.

Люцифераза Pyrocystis lunula клонирована в 2001 г. (Members of a dinoflagellate luciferase gene family ... 2001). Она представляет собой полипептид с молекулярной массой 145 кДа и имеет такую же трёхдоменную структуру, что и люцифераза Gonyaulax polyedra (Members of a dinoflagellate luciferase gene family ... 2001). Анализ аминокислотных последовательностей люцифераз Pyrocystis lunula и Gonyaulax polyedra показал высокую степень гомологии между ними и схожесть их структурной организации.

В биолюминесцентной системе Pyrocystis lunula люциферин-связывающий белок отсутствует. Кроме того, содержание люциферазы и люциферина в клетках Pyrocystis lunula не зависит от времени суток (The circadian rhythm of bioluminescence in pyrocystis ... 1998), что указывает на то, что циркадная регуляция биолюминесценции осуществляется при помощи изменения внутриклеточной локализации компонентов люминесцентной системы (Kyung Suk Seo. 2000). Скорее всего, именно по этой причине люцифераза Pyrocystis lunula гораздо менее чувствительна к изменениям рН реакционной смеси, чем люцифераза Gonyaulax polyedra.

Рекомбинантный белок, представляющий собой третий домен люциферазы Pyrocystis lunula, клонирован в 2002 г. (Cloning and characterization ... 2002). Этот фермент катализирует реакцию с максимумом биолюминесценции 474 нм, и его активность снижается при повышении рН реакционной смеси до 8.0.

Люцифераза Noctiluca scintillians клонирована в 2006 г. (Liyun Liu. 2007). Структурная организация её молекулы существенно отличается от таковой других известных люцифераз динофлагеллят и не имеет обычной для них трёхдоменной структуры. Люцифераза Noctiluca scintillians представляет собой полипептид с молекулярной массой около 100 кДа, содержащий в своём составе 2 структурных домена. N-концевой домен отвечает за биолюминесцентную функцию. Его аминокислотная последовательность гомологична последовательности каталитических доменов других люцифераз динофлагеллят. Аминокислотная последовательность C-концевого домена гомологична последовательности люциферин-связывающего белка Gonyaulax polyedra. Таким образом, белки, являющиеся 2 различными белками у одного вида динофлагеллят, объединены в один полипептид у другого. Также в экспериментах была показано слабое влияние рН реакционной смеси (от 6 до 8) на биолюминесценцию рекомбинантной люциферазы Noctiluca scintillians (Liyun Liu. 2007).