螢光素酶

冷光素酶（英語：Luciferase）是自然界中能夠產生生物發光的酶的統稱，其中最有代表性的是一種學名為Photinus pyralis的螢火蟲體內的冷光素酶。在相應化學反應中，冷光的產生是來自於冷光素的氧化，有些情況下反應體系中也包括三磷酸腺苷（ATP）。沒有冷光素酶的情況下，冷光素與氧氣反應的速率非常慢，而鈣離子的存在常常可以進一步加速反應（與肌肉收縮的情況相似）。螢光生成反應通常分為以下兩步：

冷光素酶（螢火蟲）
螢火蟲（Photinus pyralis）螢光素酶的晶體結構
識別
符號	冷光素酶
PDB	1LCI
UniProt	P08659
其他資料
EC編號	1.13.12.7

Bacterial Luciferase monooxygenase family
鑑定
標誌	Bac_luciferase
Pfam	PF00296（舊版）
InterPro	IPR016048
PROSITE	PDOC00397
SCOP	1nfp / SUPFAM
現有可用的蛋白結構： Pfam 結構（舊版） / ECOD PDB RCSB PDB; PDBe; PDBj PDBsum 結構概要 PDB 1brl, 1bsl, 1ezw, 1fvp, 1luc, 1m41, 1nfp, 1nqk, 1rhc, 1xkj

Dinoflagellate Luciferase catalytic domain
crystal structure of a luciferase domain from the dinoflagellate Lingulodinium polyedrum
鑑定
標誌	Luciferase_cat
Pfam	PF10285（舊版）
InterPro	IPR018804
現有可用的蛋白結構： Pfam 結構（舊版） / ECOD PDB RCSB PDB; PDBe; PDBj PDBsum 結構概要

Dinoflagellate Luciferase/LBP N-terminal domain
鑑定
標誌	Luciferase_N
Pfam	PF05295（舊版）
InterPro	IPR007959
現有可用的蛋白結構： Pfam 結構（舊版） / ECOD PDB RCSB PDB; PDBe; PDBj PDBsum 結構概要

Dinoflagellate Luciferase helical bundle domain
crystal structure of a Dinoflagellate luciferase domain from the dinoflagellate Lingulodinium polyedrum
鑑定
標誌	Luciferase_3H
Pfam	PF10284（舊版）
InterPro	IPR018475
現有可用的蛋白結構： Pfam 結構（舊版） / ECOD PDB RCSB PDB; PDBe; PDBj PDBsum 結構概要

冷光素 + ATP → 冷光素化腺苷酸（luciferyl adenylate） + PP_i 冷光素化腺苷酸 + O₂ → 氧冷光素 + AMP + 光

這一反應非常節省能量，幾乎所有輸入反應的能量都被轉化為光。與之形成鮮明對比的是人類使用的白熾燈，只有約10%的能量被轉化為光，剩餘的能量都變為熱能而被浪費。

冷光素或冷光素酶不是特定的分子，而是對於所有能夠產生冷光的底物和其對應的酶的統稱，雖然它們各不相同。不同的能夠控制冷光的生物體用不同的冷光素酶來催化不同的冷光反應。最為人所知的發光生物是螢火蟲，而其所採用不同的冷光素酶與其他發光生物如熒光菇（發光類臍菇，Omphalotus olearius）或許多海洋生物都不相同。在螢火蟲中，發光反應所需的氧氣是從被稱為腹部氣管（abdominal trachea）的管道中輸入。一些生物，如叩頭蟲，含有多種不同的螢光素酶，能夠催化同一冷光素底物，而發出不同顏色的冷光。螢火蟲有2000多種，而叩甲總科（包括螢火蟲、叩頭蟲和相關昆蟲）則有更多，因此它們的螢光素酶對於分子系統學研究很有用。目前研究得最透徹的螢光素酶是來自Photinini族螢火蟲中的北美螢火蟲（Photinus pyralis）。

應用

冷光素酶可以在實驗室中用基因工程的方法生成，並被用於多種不同的實驗。冷光素酶的基因可以被合成並插入到生物體中或轉染到細胞中。研究者利用基因工程已經使得小鼠、家蠶、馬鈴薯等一些生物可以合成冷光素酶。間接體外成像是一種強大的研究手段，可以對整個動物體中的細胞群落進行分析：將不同類型的細胞（骨髓幹細胞、T細胞等）標記上（即表達）冷光素酶，就可以用高敏感度的CCD相機對動物體內進行活體觀察而不會傷害到動物本身。

在冷光素酶中加入正確的冷光素底物就可以放出冷光，而發出的光子可以被光敏感元件，如冷光探測器或改進後的光學顯微鏡探測到。這就使得對包括感染在內的多種生命活動進程進行觀察成為可能。例如，冷光素酶已經被用於商業化的次世代焦磷酸定序技術，藉由dNTP接上DNA鏈時水解放出的焦磷酸，透過另外一個硫酸鹽腺甘酸轉移酶反應，冷光素酶能將產物ATP與冷光素轉化為冷光，機器藉此探測光線並定序。冷光素酶也可以被用於檢測血庫中所存血液中的紅血球是否開始破裂。法醫可以用含有螢光素酶的溶液來檢測犯罪現場中殘留的血跡。醫院用冷光素酶的發光來發現特定的疾病。冷光素酶還可以作為「報告蛋白」被用於分子生物學研究中，例如，用於在轉染過冷光素酶的細胞中檢測特定啟動子的轉錄情況或用於探測細胞內的基因轉錄活性；這一技術被稱為報告基因檢測法或冷光素酶檢測法（Luciferase Assay）。冷光素酶是一個熱敏感蛋白，因此經常被用於研究蛋白熱變性過程中熱休克蛋白的保護能力。此外，冷光素酶水母素的冷光強度與環境中鈣離子濃度相關，因此可用於檢測生物體內的鈣。

參見

• 螢火蟲
• 生物發光
• 水母素

參考文獻

• （英文）Thomas O Baldwin. Firefly luciferase: the structure is known, but the mystery remains Structure. 1996 Mar 15;4(3):223-8.
• （英文）Greer LF 3rd, Szalay AA. Imaging of light emission from the expression of luciferases in living cells and organisms: a review Luminescence. 2002 Jan-Feb;17(1):43-74.

外部連結

• （英文）生物熒光化學 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
• （英文）PDB數據庫中的螢火蟲螢光素酶 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
• （英文）PDB數據庫中的細菌螢光素酶
• （英文）一氧化氮與螢火蟲發光 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
• （英文）Promega公司Gene Expression and Reporter中用到熒光素酶的技術