Люмины — белки биолюминесценции¶

Люмины — семейство белков, обладающих способностью к биолюминесценции, то есть к испусканию видимого света в результате химической реакции окисления их субстрата люциферина. Впервые термин «люмин» был предложен в 1978 году биохимиком Оскаром Шнирилем для обозначения белков, катализирующих люминесцентные реакции у различных организмов, независимо от природы их люциферинов. Люмины образуют разнородную группу: они не объединяются по строгой гомологии последовательностей, а выделяются по функциональному признаку — способности катализировать свечение.

¶Происхождение термина

Термин «люмин» (от лат. lumen — свет) ввёл Оскар Шнириль в 1978 году, предложив единое название для белков-катализаторов биолюминесценции у разных организмов. До этого использовались разрозненные термины: «люцифераза» (для белков жуков-светлячков и бактерий), «фотерин» (у медуз), «актинопсин» (у кальмаров) и другие. Шнириль подчеркнул, что люцифераза — понятие субстратное (определяется люциферином), тогда как люмин — понятие белковое. В частности, люциферазы жуков и бактерий, несмотря на сходство функции, относятся к независимым белковым семействам и, по определению Шнириля, оба являются люминами.

¶Классификация

Люмины делятся на группы в зависимости от типа люциферина и организма-источника:

• Люциферазы жуков (Coleoptera: Lampyridae, Elateridae, Phengodidae). Реакция идёт с участием длинноцепочечного альдегидного люциферина, АТФ, Mg²⁺ и молекулярного кислорода. Продукт — оксилюциферин в возбуждённом состоянии, испускающий фотон жёлтого или зелёного света. Наиболее изучена люцифераза светлячка Photinus pyralis.
• Бактериальные люмины (вибы, Vibrio, Photobacterium, Aliivibrio fischeri). Субстрат — редуцированный флavinовый мононуклеотин (FMNH₂) и длинноцепочечный альдегид. Реакция не требует АТФ.
• Коллагеновые люмины (медузы Aequorea victoria, кальмары). Катализируют окисление белка-акворина или синтетических имидазолопиразиновых люциферинов. Акворин испускает синий свет, который может передаваться зелёному флуоресцентному белку (GFP) по механизму резонансного переноса энергии Фёрстера.
• Флаппинг-люмины (диптеры, двукрылые). Белки семейства «yellow» у Drosophila и комаров катализируют окисление 3-гидроксикумарина.
• Ферредоксин-оксидоредуктазные люмины (грибы, например Neonothopanus gardneri). Используют кофактор FAD и кислород; в их реакции участвует 3-гидроксикумарин.

¶Структура и механизм

Структурно люмины неоднородны. Люциферазы жуков представляют собой мономерные белки массой около 62 кДа с двумя доменами: N-концевым, связывающим люциферин, и C-концевым, связывающим АТФ. Катализ включает ацилирование люциферин-АМФ, его окисление пероксидом водорода и декарбоксилирование с образованием возбуждённого оксилюциферина. Бактериальные люмины — гомодимеры массой около 77 кДа; в активном центре расположены FMN-связывающий сайт и карман для альдегидного субстрата. Акворин — небольшой (22 кДа) кальцийсвязывающий белок с «кик-пружиным» (EF-hand) мотивом; связывание Ca²⁺ вызывает конформационный переход и окисление эфира колентрина люциферином.

Общая черта всех люминов — образование возбуждённого окисленного субстрата или белкового комплекса, который при возврате в основное состояние испускает фотон. Спектр излучения определяется не столько люмином, сколько микроокружением активного центра и, у медуз, — переносом энергии на GFP.

¶Применение

Люмины и люциферазы широко используются в биотехнологии и медицине:

• Биолюминесцентные отчёты (reporter assays). Ген люциферазы светлячка встраивается в конструкции для контроля активности промоторов, изучения транскрипции, деградации белков (система dual-luciferase с люциферазой морского червя Renilla).
• Биосенсоры. Бактериальные люмины в составе живых клеток-биосенсоров реагируют на токсины, тяжёлые металлы, органические загрязнители; люмин-люцифериновая реакция лежит в основе экспресс-тестов на АТФ (санитарный контроль).
• Медицинская визуализация. Ген люциферазы встраивается в опухолевые клетки или стволовые клетки для отслеживания их судьбы in vivo; люмин-люцифериновая система применяется в биолюминесцентной томографии.
• Генная инженерия. GFP из Aequorea victoria и его производные (mCherry, tdTomato) стали стандартными метками; их открытие, связанное с изучением люминов медуз, отмечено Нобелевской премией по химии 2008 года (О. Циммерманн, М. Чалфи, Р. Цзи).

¶Люмины в природе

Биолюминесценция с участием люминов встречается у представителей всех царств живых организмов, кроме растений и высших грибов (у грибов известны отдельные случаи). Среди животных люмины обнаружены у более чем 500 родов: жуков, мух, кальмаров, медуз, глубоководных рыб, червей. Экологические функции свечения включают привлечение партнёра, приманку добычи, отпугивание хищников и коммуникацию в глубоководных сообществах, где солнечный свет не проникает.

¶История изучения

Первая люцифераза была выделена в 1956 году Эдвардом Макэлроем из бактерии Photobacterium phosphoreum. Люцифераза Photinus pyralis была очищена в 1960-х годах в лаборатории Бальдеса. В 1962 году Осама Симомура выделил GFP из медузы Aequorea victoria. В 1980-х годах гены люцифераз жуков и бактерий были клонированы, что открыло путь к их использованию в генной инженерии. В 1986 году люцифераза светлячка впервые была использована как reporter-ген в трансгенных растениях (работы Сандры Оуэн и др.).

¶Источники

• Шнириль О. «Люмины и люциферазы» // Биохимия, 1978.
• Hastings J. W. «Chemical and enzymatic aspects of bioluminescence» // The Bioluminescence and Chemiluminescence, 1973.
• Tsuji F. I. «Bioluminescence» // Analytical Chemistry, 1979.
• Википедия: статьи «Люцифераза», «Биолюминесценция», «Зелёный флуоресцентный белок».