БИОХИМИЯ, 2015, том 80, вып. 6, с. 845 - 866
УДК 577.32
ЦЕЛЕНТЕРАЗИН-ЗАВИСИМЫЕ ЛЮЦИФЕРАЗЫ
Обзор
© 2015 С.В. Маркова, Е.С. Высоцкий*
Институт биофизики СО РАН, лаборатория фотобиологии, Академгородок, 50, 660036Красноярск; факс: +7(391)243-3400, электронная почта: eugene.vysotski@gmail.com
Поступила в редакцию 25.02.15 После доработки 04.03.15
Биолюминесценция — явление, широко представленное в природе. Светящиеся организмы встречаются среди бактерий, грибов, простейших, кишечнополостных, червей, моллюсков, насекомых и рыб. Исследования биолюминесцентных систем различных организмов выявили интересную особенность — несмотря на одинаковый конечный результат биохимического процесса — излучение кванта света в видимом диапазоне спектра, механизмы, лежащие в его основе, значительно различаются у представителей различных таксонов. Среди нескольких субстратов биолюминесцентных реакций, идентифицированных в морских светящихся организмах, наиболее часто используются люциферины имидазопиразинонового типа — целентера-зин и Cypridina люциферин. Несмотря на один и тот же субстрат, биолюминесцентные белки, катализирующие светоизлучающие реакции в таксономически далеких друг от друга светящихся организмах, не обнаруживают никакого сходства между собой как по аминокислотным последовательностям, так и по пространственным структурам. В обзоре рассмотрены люциферазы различных светящихся организмов, использующих в качестве субстрата целентеразин или Cypridina люциферин, а также модификации этих белков, улучшающие их физико-химические и биолюминесцентные свойства и, следовательно, их возможности для применения в биолюминесцентном биоимиджинге in vivo.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: биолюминесценция, люцифераза, люциферин, целентеразин.
Биолюминесценция — явление, широко представленное в природе. Светящиеся организмы встречаются среди бактерий, грибов, простейших, кишечнополостных, червей, моллюсков, насекомых и рыб. В настоящее время насчитывается несколько тысяч биолюминесцентных видов среди представителей более чем 700 родов. Хотя среди обитателей суши и встречаются светящиеся виды (бактерии, насекомые, черви и грибы), наиболее широко способность к биолюминесценции распространена среди морских организмов (рис. 1). Например, на больших глубинах, куда никогда не проникает свет, более 90% организмов — светящиеся [1, 2]. Предполагается, что биолюминесценция связана со зрительной функцией организмов и часто используется для межвидовой и внутривидовой коммуникации, маскировки от хищников, отпугивания хищников вспышками света и привлечения пищи свечением. Однако во многих случаях функциональная роль биолюминесценции для жизнедеятельности конкретных организмов до сих пор неясна.
* Адресат для корреспонденции.
Биохимические исследования биолюминесцентных систем различных организмов выявили интересную особенность биолюминесценции — оказалось, что, несмотря на одинаковый конечный результат биохимического процесса — излучение кванта света в видимом диапазоне спектра, механизмы, лежащие в его основе, значительно различаются у представителей различных таксонов. Различными оказались не только субстраты и кофакторы, вовлеченные в реакции биолюминесценции, но и ферменты, катализирующие эти реакции [3]. Поэтому «люцифераза» и «люциферин» — используемые в литературе термины для обозначения ферментов и субстратов биолюминесцентных реакций, — скорее понятие собирательное и функциональное, чем структурно-химическое.
Среди нескольких субстратов светоизлучаю-щих реакций, идентифицированных в морских светящихся организмах, наиболее часто используются люциферины имидазопиразинонового типа (рис. 2, а). Целентеразин идентифицирован как субстрат реакции в таких таксономичес-ки далеких друг от друга светящихся организмах, как мягкий коралл ЯепШа [4], декаподный
Рис. 1. Филогенетическое древо. Таксоны, включающие светящиеся виды, отмечены звездочкой черного цвета. Идентифицированные филогенетические группы, представители которых используют люциферины имидазопиразинонового типа как субстрат биолюминесцентной реакции, отмечены звездочкой белого цвета: радиолярии (1), ктенофоры (2), кишечнополостные (коралловые полипы (3), гидроиды (4), сцифоидные медузы (5)), кальмары (6), ракообразные (7), некоторые костные рыбы (8) и акулы (9), щетинкочелюстные (10), офиуры (11), оболочники (12), моллюски (13)
а
б
Рис. 2. а — Люциферины имидазопиразинонового типа. Целентеразин (1), СургШта (Уаг%ы1а) люциферин (2), 3-енолсуль-фат целентеразина (3), 3-енолсульфат СурпШта люциферина (4), дегидроцелентеразин (5) и целентеразин дисульфат (6); б — предполагаемая схема биосинтеза целентеразина и СурпШта люциферина в копеподах и остракодах из Ь-аминокислот
рак Oplophorus [5, 6], сцифоидная медуза Periphylla [7, 8], копеподы [9, 10], остракода Conchoecia [11], цефалопода Vampyroteuthis [12], рыба Benthosema pterotum [13] и других (рис. 1). Са2+-регулируе-мые фотопротеины гидромедуз и ктенофор содержат 2-гидроперокси-производное целенте-разина [3]. Кальмары Watasenia и Symplecto-teuthis, а также моллюск Pholas dactylus используют производные целентеразина — субстратом биолюминесцентной реакции кальмара Watasenia является целентеразиндисульфат [14], а кальмара Symplectoteuthis [15] и моллюска Pholas dactylus
[16] — дегидроцелентеразин. Cypridina люцифе-рин служит субстратом люцифераз остракод
[17], а также рыб Porichthys notatus, Apogon и Parapriacanthus [18]. Вполне вероятно, что многие светящиеся организмы, использующие лю-циферины имидазопиразинонового типа для биолюминесценции, получают эти соединения по пищевым цепям, как это показано для светящейся рыбы Porichthys notatus (Cypridina люциферин) [19, 20] и медузы Aequorea (целентеразин) [21].
В настоящее время синтез de novo целентера-зина и Cypridina люциферина показан только для представителей светящихся ракообразных — копепод и остракод семейства Cypridinidae. С помощью меченых изотопами L-аминокислот для кормления раков Metridia pacifica и Cypridina hilgendorfli было установлено, что копеподы синтезируют целентеразин из двух молекул тирозина и одной молекулы фенилаланина [22], у Cypridina люциферин в остракодах синтезируется из триптофана, изолейцина и аргинина [23] (рис. 2, б). По-видимому, имидазопиразиноно-вое кольцо образуется либо в результате циклизации трипептида (H2N-Phe-Tyr-Tyr-COOH и H2N-Arg-Trp-Ile-COOH в случае целентеразина и Cypridina люциферина соответственно), происходящей аналогично формированию хромофора GFP [3] и включающей дополнительную стадию декарбоксилирования, либо поэтапно в процессе нерибосомального синтеза [24], что, на наш взгляд, наиболее вероятно. Необходимо отметить, что целентеразин в достаточно больших количествах обнаружен и в ряде несветящихся морских животных [3, 25].
Особое место среди люциферинов имидазо-пиразинонового типа занимают 3-енолсульфат-производные (рис. 2, а). В настоящее время эти соединения обнаружены в светящемся морском коралле Renilla reniformis [26] и остракодах Cypridina hilgendorfli [27]. Фактически 3-енол-сульфат-производные целентеразина и Cypridina люциферина являются прелюциферинами. Превращение этих соединений в активный субстрат происходит под действием сульфо-
трансферазы, катализирующей перенос сульфатной группы от 3-енолсульфат целентеразина (или 3-енолсульфат Cypridina люциферина) на акцептор — фосфоаденазинфосфат (PAP) [26, 27]. В результате образуются целентеразин (или Cypridina люциферин) и фосфоаденазин^-фос-фосульфат (PAPS). Эта реакция обратима, т.е. сульфотрансфераза может катализировать и образование 3-енолсульфат-производных имидазо-пиразинонов [27]. В этом случае донором сульфатной группы служит PAPS. Поскольку 3-енол-сульфат-производные имидазопиразинонов значительно более стабильны в водных растворах, предполагается, что эти соединения обеспечивают резервный пул субстрата в светящихся морских организмах, использующих либо це-лентеразин, либо Cypridina люциферин в биолюминесцентной реакции.
ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ЦЕЛЕНТЕРАЗИН-ЗАВИСИМЫХ БИОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ СИСТЕМ
Биолюминесцентные системы, использующие имидазопиразиноновые соединения в качестве субстрата реакции, можно разделить на два типа — люциферазный и фотопротеиновый (рис. 3). Биолюминесцентные реакции, катализируемые люциферазами, — это типичные ферментативные реакции, в которых субстрат окисляется кислородом с образованием продукта (оксилю-циферина) в возбужденном состоянии, переход которого в основное состояние сопровождается излучением света. Люцифераза как обычный фермент делает несколько оборотов, полностью перерабатывая субстрат. К этому типу относятся биолюминесцентные системы морских копе-под, креветки Oplophorus, остракод, сцифоидных медуз, а также коралла Renilla [3]. В случае биолюминесцентной системы фотопротеинового типа белок формирует с субстратом устойчивый фермент-субстратный комплекс, способный существовать длительное время. Так, наиболее изученные в настоящее время Са2+-регулируе-мые фотопротеины гидромедуз и ктенофор [3, 28—30] представляют собой комплекс, состоящий из апобелка, с которым прочно, но некова-лентно связан активированный кислородом целентеразин, 2-гидропероксицелентеразин, образующийся при формировании фотопротеина из апобелка, целентеразина и молекулярного кислорода.
Биолюминесцентная реакция инициируется в ответ на связывание ионов кальция с Са2+-свя-зывающими сайтами на поверхности молекулы белка. Связывание Са2+ вызывает небольшие кон-
формационные изменения в субстрат-связыва-ющей полости белка, которые нарушают систему водородных связей, стабилизирующую 2-гидро-пероксицелентеразин, запуская тем самым реакцию окислительного декарбоксилирования, ведущую к образованию продукта в возбужденном состоянии [31]. В отличие от Са2+-регулиру-емых фотопротеинов, фотопротеины из кальмара БушрксМгиШв оиа1атет[в [15] и моллюска Рко1а$ йасУия [16], симплектин и фолазин, представляют собой комплекс из белка и кова-лентно связанного с ним целентеразина, который формируется при связывании дегидроце-лентеразина с апобелком. Биолюминесцентная реакция фотопротеина кальмара иниц
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.