На главную

Биолюминесцентная система динофитовых водорослей

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[1]). 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[2]; Fogel. 1972[3]). Также было установлено, что биолюминесцентная система фотосинтезирующих динофлагеллят, за исключением группы Pyrocystis, состоит из люциферина, люциферазы и люциферин-связывающего белка (Fuller. 1972[4]; Henry. 1974[5]). 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[6]; Circadian regulation of bioluminescence ... 1989[7]; Mittag. 1998[8]).

Химическая структура люциферина динофлагеллят установлена в 1989 г. (Structure of dinoflagellate luciferin ... 1989[9]), хотя первые частично очищенные препараты люциферазы получены из Gonyaulax polyedra во второй половине 20 в. (Hastings. 1957; Bode. 1963[10]). Из того же вида выделена, охарактеризована и клонирована первая люцифераза динофлагеллят (Bae. 1994)[11]. 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

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[12]). 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[13]; Hamman. 1972[14]).

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[15]; Crystal structure ... 2005[16]). 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[17]), что указывает на то, что циркадная регуляция биолюминесценции осуществляется при помощи изменения внутриклеточной локализации компонентов люминесцентной системы (Kyung Suk Seo. 2000[18]). 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[19]). 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).

Примечания

  1. ↑ Hastings J. W. The luminescent reaction in extracts of the marine dinoflagellate, Gonyaulax polyedra / J. W. Hastings, B. M. Sweeney // Journal of Cellular Physiology. – 1957. – Vol. 49, №. 2. – P. 209–225.
  2. ↑ Characterization of the bioluminescent organelles in Gonyaulax polyedra (dinoflagellates) after fast-freeze fixation and antiluciferase immunogold staining / M. T. Nicolas, G. Nicolas, C. H. Johnson [et al.] // The Journal of Cell Biology. – 1987. – Vol. 105, № 2. – P. 723–735.
  3. ↑ Fogel M. On the physical identity of scintillons: bioluminescent particles in Gonyaulax polyedra / M. Fogel, R. E. Schmitter, J. W. Hastings // Journal of Cell Science. – 1972. – Vol. 11, № 1. – P. 305–317.
  4. ↑ Fuller C. W. Particulate bioluininescence in dinoflagellates: dissociation and partial reconstitution / C. W. Fuller, P. Kreiss, H. H. Seliger // Science. – 1972. – Vol. 177, № 4052. – P. 884–885.
  5. ↑ Henry J. P. Solubilization of molecular elements of scintillons: bioluminescent particles from dinoflagellates / J. P. Henry, J. W. Hastings // Molecular and Cellular Biochemistry. – 1974. – Vol. 3, № 2. – P. 81–91.
  6. ↑ Hastings J. W. The Gonyaulax clock at 50: translational control of circadian expression / J. W. Hastings // Cold Spring Harbor Symposia on Quantitative Biology. – 2007. – Vol. 72, № 1. – P. 141–144.
  7. ↑ Circadian regulation of bioluminescence in Gonyaulax involves translational control / D. Morse, P. M. Milos, E. Roux, J. W. Hastings // Proceedings of the National Academy of Sciences of the U. S. A. – 1989. – Vol. 86, № 1. – P. 172–176.
  8. ↑ Mittag M. The mRNA level of the circadian regulated Gonyaulax luciferase remains constant over the cycle / M. Mittag, Liming Li, J. W. Hastings // Chronobiology International. – 1998. – Vol. 15, № 1. – P. 93–98.
  9. ↑ Structure of dinoflagellate luciferin and its enzymic and nonenzymic air-oxidation products / H. Nakamura, Y. Kishi, O. Shimomura [et al.] // Journal of the American Chemical Society. – 1989. – Vol. 111, № 19. – P. 7607–7611.
  10. ↑ Bode V. C. The purification and properties of the bioluminescent system in Gonyaulax polyedra / V. C. Bode, J. W. Hastings // Archives of Biochemistry and Biophysics. – 1963. – Vol. 103, № 3. – P. 488–499.
  11. ↑ Bae Y. M. Cloning, sequencing and expression of dinoflagellate luciferase DNA from a marine alga, Gonyaulax polyedra / Y. M. Bae, J. W. Hastings // Biochimica et Biophysica Acta. – 1994. – Vol. 1219, № 2. – P. 449–456.
  12. ↑ Dunlap J. C. Biochemistry of dinoflagellate bioluminescence: purification and characterization of dinoflagellate luciferin from Pyrocystis lunula / J. C. Dunlap, J. W. Hastings // Biochemistry. – 1981. – Vol. 20, № 4. – P. 983–989.
  13. ↑ Dinoflagellate bioluminescence : a comparative study of invitro components / R. E. Schmitter, D. Njus, F. M. Sulzman [et al.] // Journal of Cellular Physiology. – 1976. – Vol. 87, № 1. – P. 123–134.
  14. ↑ Hamman J. P. The mechanical triggering of bioluminescence in marine dinoflagellates: chemical basis / J. P. Hamman, H. H. Seliger // Journal of Cellular Physiology. – 1972. – Vol. 80, № 3. – P. 397–408.
  15. ↑ Liming Li. Three functional luciferase domains in a single polypeptide chain / Liming Li, R. Hong, J. W. Hastings // Proceedings of the National Academy of Sciences of the U. S. A. – 1997. – Vol. 94, № 17. – P. 8954–8958.
  16. ↑ Crystal structure of a pH-regulated luciferase catalyzing the bioluminescent oxidation of an open tetrapyrrole / L. W. Schultz, Liyun Liu, M. Cegielski, J. W. Hastings // Proceedings of the National Academy of Sciences of the U. S. A. – 2005. – Vol. 102, № 5. – P. 1378–1383.
  17. ↑ The circadian rhythm of bioluminescence in pyrocystis is not due to differences in the amount of luciferase : a comparative study of three bioluminescent marine dinoflagellates / R. Knaust, T. Urbig, L. Li [et al.] // Journal of Phycology. – 1998. – Vol. 34, № 1. – P. 167–172.
  18. ↑ Kyung Suk Seo. Cell ultrastructural changes correlate with circadian rhythms in Pyrocystis lunula (Pyrrophyta) / Kyung Suk Seo, L. Fritz // Journal of Phycology. – 2000. – Vol. 36, № 2. – P. 351–358.
  19. ↑ Cloning and characterization of an active fragment of luciferase from a luminescent marine alga, Pyrocystis lunula / H. Morishita, S. Ohashi, T. Oku [et al.] // Photochemistry and Photobiology. – 2002. – Vol. 75, № 3. – P. 311–315.

Литература

  • Hastings J. W. The luminescent reaction in extracts of the marine dinoflagellate, Gonyaulax polyedra / J. W. Hastings, B. M. Sweeney // Journal of Cellular Physiology. – 1957. – Vol. 49, № 2. – P. 209–225.
  • Hastings J. W. The Gonyaulax clock at 50: translational control of circadian expression // Cold Spring Harbor Symposia on Quantitative Biology. – 2007. – Vol. 72, № 1. – P. 141–144.
  • Bode V. C. The purification and properties of the bioluminescent system in Gonyaulax polyedra / V. C. Bode, J. W. Hastings // Archives of Biochemistry and Biophysics. – 1963. – Vol. 103, № 3. – P. 488–499.
  • Fogel M. On the physical identity of scintillons: bioluminescent particles in Gonyaulax polyedra / M. Fogel, R. E. Schmitter, J. W. Hastings // Journal of Cell Science. – 1972. – Vol. 11, № 1. – P. 305–317.
  • Fuller C. W. Particulate bioluininescence in dinoflagellates: dissociation and partial reconstitution / C. W. Fuller, P. Kreiss, H. H. Seliger // Science. – 1972. – Vol. 177, № 4052. – P. 884–885.
  • Hamman J. P. The mechanical triggering of bioluminescence in marine dinoflagellates: chemical basis / J. P. Hamman, H. H. Seliger // Journal of Cellular Physiology. – 1972. – Vol. 80, № 3. – P. 397–408.
  • Henry J. P. Solubilization of molecular elements of scintillons: bioluminescent particles from dinoflagellates / J. P. Henry, J. W. Hastings // Molecular and Cellular Biochemistry. – 1974. – Vol. 3, № 2. – P. 81–91.
  • Dinoflagellate bioluminescence: a comparative study of invitro components / R. E. Schmitter, D. Njus, F. M. Sulzman [et al.] // Journal of Cellular Physiology. – 1976. – Vol. 87, № 1. – P. 123–134.
  • Dunlap J. C. Biochemistry of dinoflagellate bioluminescence: purification and characterization of dinoflagellate luciferin from Pyrocystis lunula / J. C. Dunlap, J. W. Hastings // Biochemistry. – 1981. – Vol. 20, № 4. – P. 983–989.
  • Characterization of the bioluminescent organelles in Gonyaulax polyedra (dinoflagellates) after fast-freeze fixation and antiluciferase immunogold staining / M. T. Nicolas, G. Nicolas, C. H. Johnson [et al.] // The Journal of Cell Biology. – 1987. – Vol. 105, № 2. – P. 723–735.
  • Circadian regulation of bioluminescence in Gonyaulax involves translational control / D. Morse, P. M. Milos, E. Roux, J. W. Hastings // Proceedings of the National Academy of Sciences of the U. S. A. – 1989. – Vol. 86, № 1. – P. 172–176.
  • Structure of dinoflagellate luciferin and its enzymic and nonenzymic air-oxidation products / H. Nakamura, Y. Kishi, O. Shimomura [et al.] // Journal of the American Chemical Society. – 1989. – Vol. 111, № 19. – P. 7607–7611.
  • Hallegraeff G. M. A review of harmful algal blooms and their apparent global increase // Phycologia. –1993. – Vol. 32, № 2. – P. 79–99.
  • Bae Y. M. Cloning, sequencing and expression of dinoflagellate luciferase DNA from a marine alga, Gonyaulax polyedra / Y. M. Bae, J. W. Hastings // Biochimica et Biophysica Acta. – 1994. – Vol. 1219, № 2. – P. 449–456.
  • Liming Li. Three functional luciferase domains in a single polypeptide chain / Liming Li, R. Hong, J. W. Hastings // Proceedings of the National Academy of Sciences of the U. S. A. – 1997. – Vol. 94, № 17. – P. 8954–8958.
  • Mittag M. The mRNA level of the circadian regulated Gonyaulax luciferase remains constant over the cycle / M. Mittag, Liming Li, J. W. Hastings // Chronobiology International. – 1998. – Vol. 15, № 1. – P. 93–98.
  • The circadian rhythm of bioluminescence in pyrocystis is not due to differences in the amount of luciferase : a comparative study of three bioluminescent marine dinoflagellates / R. Knaust, T. Urbig, Liming Li [et al.] // Journal of Phycology. – 1998. – Vol. 34, № 1. – P. 167–172.
  • Kyung Suk Seo. Cell ultrastructural changes correlate with circadian rhythms in Pyrocystis lunula (Pyrrophyta) / Kyung Suk Seo, L. Fritz // Journal of Phycology. – 2000. – Vol. 36, № 2. – P. 351–358.
  • Members of a dinoflagellate luciferase gene family differ in synonymous substitution rates / O. K. Okamoto, Liyun Liu, D. L. Robertson, J. W. Hastings // Biochemistry. – 2001. – Vol. 40, № 51. – P. 15862–15868.
  • Cloning and characterization of an active fragment of luciferase from a luminescent marine alga, Pyrocystis lunula / H. Morishita, S. Ohashi, T. Oku [et al.] // Photochemistry and Photobiology. – 2002. – Vol. 75, № 3. – P. 311–315.
  • Crystal structure of a pH-regulated luciferase catalyzing the bioluminescent oxidation of an open tetrapyrrole / L. W. Schultz, Liyun Liu, M. Cegielski, J. W. Hastings // Proceedings of the National Academy of Sciences of the U. S. A. – 2005. – Vol. 102, № 5. – P. 1378–1383.
  • Liyun Liu. Two different domains of the luciferase gene in the heterotrophic dinoflagellate Noctiluca scintillans occur as two separate genes in photosynthetic species / Liyun Liu, J. W. Hastings // Proceedings of the National Academy of Sciences of the U. S. A. – 2007. – Vol. 104, № 3. – P. 696–701.
  • A review of the measurement and modelling of dinoflagellate bioluminescence / C. L. J. Marcinko, S. C. Painter, A. P. Martin, J. T. Allen // Progress in Oceanography. – 2013. – Vol. 109. – P. 117–129.
  • Valiadi M. Understanding bioluminescence in dinoflagellates – how far have we come? / M. Valiadi, D. Iglesias-Rodriguez // Microorganisms. – 2013. – Vol. 1, № 1. – P. 3–25.
  • Stimulated bioluminescence as an early indicator of bloom development of the toxic dinoflagellate Alexandrium ostenfeldii / A. H. Le Tortorec, P. Hakanen, A. Kremp [et al.] // Journal of Plankton Research. – 2014. – Vol. 36, № 2. – P. 412–423.
Материалы портала bigenc.ru переданы в ведение АНО «Интернет-энциклопедия «РУВИКИ» на основе лицензионного соглашения. Возможны неточности в отображении материалов. Если у вас возникли вопросы или вы увидели ошибку, пожалуйста, сообщите нам на info@ruwiki.ru