На главную

Биолюминесцентная система остракод рода Cypridina

Биолюминесце́нтная систе́ма острако́д ро́да '''Cypridina''', набор белков и небольших органических молекул, позволяющих представителям рода Cypridina испускать свет. Ключевые компоненты системы: люциферин (варгулин) и фермент люцифераза, которые производят разные типы железистых клеток специальной железы. Биолюминесцентная система ракообразных рода Cypridina достаточно хорошо изучена, но пока не нашла широкого применения в биотехнологии, а количество созданных на её основе инструментов исследований довольно ограниченно.

Cypridina – один из родов мелких (обычно размером 1–2 мм) беспозвоночных животных, относящихся к классу ракушковых ракообразных, или остракод (Ostracoda). Он включает в себя около 25 видов, в основном обитающих в морских водах у берегов Японии, в Мексиканском заливе, Карибском море и у побережья Калифорнии. Наиболее известный представитель – Cypridina (Vargula) hilgendorfii – ведёт ночной образ жизни и способен выделять светящийся ярким голубым светом секрет в морскую воду.

В ответ на нападение хищника происходит выброс секретов железы в воду, что приводит к началу биолюминесцентной реакции и образованию ярко светящегося облака, которое отпугивает или сбивает с толку нападавшего, давая возможность жертве скрыться в окружающей темноте. При этом максимум биолюминесценции зависит от рН и ионной силы раствора, в которой происходит реакция. Он колеблется между 448 и 463 нм, с максимумом в 452 нм в морской воде (Shimomura. 2006[1]). Рачки рода Cypridina используют для биолюминесценции свой, уникальный люциферин, в то время как биолюминесцентные виды других семейств класса Ostracoda, например Halocypridoidae и Conchoecia, – целентеразин (Identification of the luciferin-luciferase system ... 2004[2]).

История изучения

Первые эксперименты с биолюминесцентной системой представителей рода Cypridina проводил в 1916 г. профессор Э. Н. Харви. Его привлекла яркость свечения животных, а также лёгкость хранения материала, собранного для изучения: даже после хранения в течение десятилетий в помещении, где температура порой поднималась до 30 о С, биоматериал сохранял способность к биолюминесценции. Несмотря на это, люциферин рачков Cypridina hilgendorfii был выделен в чистом виде и охарактеризован Осаму Симомурой только в 1957 г. (Shimomura. 1957[3]). Вещество оказалось исключительно нестабильным в присутствии воздуха, особенно в загрязнённых растворах, поэтому выделение его из природного биоматериала было крайне сложной задачей. Изменения в методике выделения позволили получить кристаллы люциферина рачков Cypridina (варгулин) и расшифровать его структуру (Cypridina bioluminescence I Sructure of luciferin. 1966.[4]; Kishi. 1966[5]).

Работы по выделению и клонированию люциферазы ракообразных Cypridina начались ещё в 1960-х гг. (Shimomura. 2006). Первая клонированная люцифераза Cypridina hilgendorfii была получена в 1989 г. (Thompson. 1989), и значительно позже была клонирована люцифераза Cypridina noctiluca (Nakajima. 2004).

Люциферин остракод – варгулин

Структурная формула люциферина остракод рода Cypridina

Молекула люциферина рачков Cypridina – варгулина – имеет в своей основе 3 аминокислотных остатка: аргинин, изолейцин и триптофан. После установления структуры был разработан метод его синтеза (White. 1971[6]; Cypridina bioluminescence VI ... 1969[7]; Convergent and short-step syntheses of dl-Cypridina luciferin ... 2000[8]).

Люциферазы

Сравнение аминокислотных последовательностей люцифераз Cypridina hilgendorfii и Cypridina noctiluca показало очень высокую степень их гомологии (около 84 %), но не выявило значимой гомологии при сравнении с другими известными люциферазами. Однако активность люциферазы Cypridina noctiluca гораздо выше, чем у Cypridina hilgendorfii (cDNA cloning and characterization ... 2004).

Люциферазы ракообразных Cypridina (Cypridina luciferase, CLuc) – это секретируемые белки с молекулярной массой около 62 кДа. Спектр биолюминесценции Cypridina зависит от ионной силы раствора, в котором проходит реакция, и практически не зависит от его рН. Максимум биолюминесценции лежит в пределах 448–463 нм (Shimomura. 2006).

Квантовый выход реакции, катализируемой CLuc, – один из самых высоких среди всех известных люцифераз (Shimomura. 1970[9]). Биолюминесцентная реакция, катализируемая CLuc, сильно ингибируется добавлением этилендиаминтетраацетата натрия, что, по-видимому, связано с вовлеченностью в процесс ионов двухвалентных металлов, таких как кальций и магний. Однако никаких структурных мотивов, ответственных за связывание ионов кальция, в аминокислотных последовательностях люцифераз ракообразных Cypridina обнаружено не было. Наличие в структуре большого числа дисульфидных связей (16 связей) делает практически невозможной экспрессию их генов в прокариотических экспрессионных системах.

Люциферин-люциферазная реакция

Биолюминесцентная реакция люциферина у остракод рода Cypridina

Ещё до установления структуры люциферазы рачков Cypridina было показано, что для биолюминесценой реакции необходимы только люциферин, кислород и люцифераза. Схема реакции была предложена в 1967 г. Ф. МакКапрой (McCapra. 1967[10]) и впоследствии подтверждена в работах других учёных (Shimomura. 1971[11]).

Применение

Люциферазы ракообразных Cypridina пока не нашли широкого применения в биотехнологии, но тем не менее различные группы учёных создают новые биомедицинские инструменты и приложения на их основе. На основе люциферазы Cypridina hilgendorfii разработаны методы анализа по репортёрным генам, данная люцифераза используется в качестве репортёра в химерных конструкциях для биоимиджинга и иммунологических исследований. На основе люциферазы Cypridina noctiluca созданы различные методики и BRET-пары (от англ. bioluminescence resonance energy transfer – биолюминесцентный резонансный перенос энергии) с HyLite FluorTM и квантовыми точками.

Примечания

  1. ↑ Shimomura O. Bioluminescence : chemical principles and methods / O. Shimomura. – Hackensack, NJ : World Scientific Publishing, 2006.
  2. ↑ Identification of the luciferin-luciferase system and quantification of coelenterazine by mass spectrometry in the deep-sea luminous ostracod Conchoecia pseudodiscophora / Y. Oba, H. Tsuduki, S. Kato [et al.] // ChemBioChem. – 2004. – Vol. 5, № 11. – P. 1495–1499.
  3. ↑ Shimomura O. Crystalline Cypridina Luciferin / Osamu Shimomura, Toshio Goto, Yoshimasa Hirata // Bulletin of the Chemical Society of Japan. – 1957. – Vol. 30, № 8. – P. 929–933.
  4. ↑ Cypridina bioluminescence I Sructure of luciferin / T. Kishi, T. Goto, Y. Hirata [et al.] // Tetrahedron Letters. – 1966. – Vol. 7, № 29. – P. 3427–3436.
  5. ↑ Bioluminescence in progress / ed. by F. H. Johnson, Y. Haneda. – Princeton, NJ : Princeton University, 1966.
  6. ↑ White E. H. Unambiguous synthesis of Cypridina etioluciferamine. Application of titanium tetrachloride to the synthesis of pyrazine N-oxides / E. H. White, T. P. Karpetsky // Journal of the American Chemical Society. – 1971. – Vol. 93, № 9. – P. 2333–2335.
  7. ↑ Cypridina bioluminescence VI a new route for the synthesis of cypridina luciferin and its analogs / S. Inoue, S. Sugiura, H. Kakoi, T. Goto // Tetrahedron Letters. – 1969. – Vol. 10, № 20. – P. 1609–1610.
  8. ↑ Convergent and short-step syntheses of dl-Cypridina luciferin and its analogues based on Pd-mediated cross couplings / H. Nakamura, M. Aizawa, D. Takeuchi [et al.] // Tetrahedron Letters. – 2000. – Vol. 41, № 13. – P. 2185–2188.
  9. ↑ Shimomura O. Mechanisms in the quantum yield of Cypridina bioluminescence / O. Shimomura, F. H. Johnson // Photochemistry and Photobiology. – 1970. – Vol. 12, № 4. – 291–295.
  10. ↑ McCapra F. The chemiluminescence of a Cypridina luciferin analogue / F. McCapra, Y. C. Chang // Chemical Communications. – 1967. – № 19. – P. 1011.
  11. ↑ Shimomura O. Mechanism of the luminescent oxidation of cypridina luciferin / O. Shimomura, F. H. Johnson // Biochemical and Biophysical Research Communications. – 1971. – Vol. 44, № 2. – P. 340–346.

Литература

  • Shimomura O. Crystalline Cypridina Luciferin / O. Shimomura, T. Goto, Y. Hirata // Bulletin of the Chemical Society of Japan. – 1957. – Vol. 30, № 8. – P. 929–933.
  • Shimomura O. Mechanisms in the quantum yield of Cypridina bioluminescence / O. Shimomura, F. H. Johnson // Photochemistry and Photobiology. – 1970. – Vol. 12, № 4. – 291–295.
  • Shimomura O. Mechanism of the luminescent oxidation of cypridina luciferin / O. Shimomura, F. H. Johnson // Biochemical and Biophysical Research Communications. – 1971. – Vol. 44, № 2. – P. 340–346.
  • Shimomura O. Bioluminescence : chemical principles and methods. – Hackensack, NJ : World Scientific Publishing, 2006.
  • Cypridina bioluminescence I Sructure of luciferin / T. Kishi, T. Goto, Y. Hirata [et al.] // Tetrahedron Letters. – 1966. – Vol. 7, № 29. – P. 3427–3436.
  • Bioluminescence in progress / ed. by F. H. Johnson, Y. Haneda. – Princeton, NJ : Princeton University, 1966.
  • McCapra F. The chemiluminescence of a Cypridina luciferin analogue / F. McCapra, Y. C. Chang // Chemical Communications. – 1967. – № 19. – P. 1011.
  • Cypridina bioluminescence VI a new route for the synthesis of cypridina luciferin and its analogs / S. Inoue, S. Sugiura, H. Kakoi, T. Goto // Tetrahedron Letters. – 1969. – Vol. 10, № 20. – P. 1609–1610.
  • White E. H. Unambiguous synthesis of Cypridina etioluciferamine. Application of titanium tetrachloride to the synthesis of pyrazine N-oxides / E. H. White, T. P. Karpetsky // Journal of the American Chemical Society. – 1971. – Vol. 93, № 9. – P. 2333–2335.
  • Thompson E. M. Cloning and expression of cDNA for the luciferase from the marine ostracod Vargula hilgendorfii / E. M. Thompson, S. Nagata, F. I. Tsuji // Proceedings of the National Academy of Sciences. – 1989. – Vol. 86, № 17. – P. 6567–6571.
  • Convergent and short-step syntheses of dl-Cypridina luciferin and its analogues based on Pd-mediated cross couplings / H. Nakamura, M. Aizawa, D. Takeuchi [et al.] // Tetrahedron Letters. – 2000. – Vol. 41, № 13. – P. 2185–2188.
  • Identification of the luciferin-luciferase system and quantification of coelenterazine by mass spectrometry in the deep-sea luminous ostracod Conchoecia pseudodiscophora / Y. Oba, H. Tsuduki, S. Kato [et al.] // ChemBioChem. – 2004. – Vol. 5, № 11. – P. 1495–1499.
  • cDNA cloning and characterization of a secreted luciferase from the luminous Japanese ostracod, Cypridina noctiluca / Y. Nakajima, K. Kobayashi, K. Yamagishi [et al. // Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry. –2004. – Vol. 68, № 3. – P. 565–570.]
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