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荧光素酶（luciferase）是自然界生物体内催化荧光素（luciferin）等物质发光的一类酶的统称。和荧光素酶一样，荧光素也是对能产生荧光的一类底物的统称。不同的发光生物使用不同的荧光素酶催化不同的底物产生不同颜色的荧光。比较常见的荧光素酶有萤火虫荧光素酶（firefly luciferase），细菌荧光素酶（bacterial luciferase），海洋生物荧光素酶（marine organism luciferase）等。

目前，应用最广的是北美萤火虫来源的荧光素酶基因及其编码的由550个氨基酸组成的荧光素酶蛋白，萤火虫荧光素酶与荧光素在氧气存在的条件下发生发光反应（图1），这个反应能将几乎所有的输入能量都转化为光，能量使用十分高效。同时，反应产生荧光的组织穿透能力明显强于绿色荧光蛋白（GFP）；该反应是酶与底物相互反应发光，具有高特异性；荧光产生的过程不需要激发光的存在，几乎没有背景信号，信噪比高。优点真是不要太多。

图1.荧光素酶与荧光素的发光反应

荧光素酶在生物学领域目前主要的应用有：

1. 标记基因，将荧光素酶基因插入不同基因启动子后成为该基因表达的报告基因，加入底物后通过检测荧光强度来检测目的基因的表达；

2. 标记细胞，将荧光素酶基因转染细胞，使细胞表达荧光素酶，通过检测其与荧光素反应产生荧光来监测细胞生长、增殖、信号转导等细胞生命活动；

3. 标记微生物，通过电穿孔、基因插入等方式标记寄生虫、细菌、病毒等，再通过荧光示踪对微生物在机体内的繁殖、传播规律以及治疗药物的筛选进行研究；

4. 活体生物体内成像，主要通过荧光素酶基因标记活体细胞、动物，然后通过活体成像系统对荧光进行检测，能直观、快速、无创的对活体进行检测。目前已大量应用于肿瘤动物模型和药物筛选中。

活体生物体内成像案例一枚（裸鼠肝脏原位成瘤模型）：

1.  取处于对数生长期的HepG2-luc细胞（稳定转染了Luciferase基因的HepG2细胞），消化、离心、细胞计数，将约5×10 6个细胞溶于0.1 mL DMEM培养液。

2. 用3%戊巴比妥钠麻醉小鼠，待麻醉生效后，开腹暴露肝脏，用1ml胰岛素注射针取步骤1中的细胞悬液注射裸鼠肝脏，用5-0丝线缝合伤口，活力碘消毒伤口，将裸鼠放在加热垫上，待清醒后正常饮食饲养，观察肿瘤的生长。

3. 手术后不同时间对模型动物进行生物发光活体成像检测，具体过程：用3%戊巴比妥钠麻醉小鼠，再通过腹腔注射3mg底物luciferin，20~30分钟后放入活体成像系统进行荧光检测，并拍照记录。

图2.HepG2-luc肝脏原位成瘤的活体成像

图3. B16-luc皮下成瘤的活体成像

图4. Luc标记细胞的活体成像

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