熒光素酶（luciferase）是自然界生物體內(nèi)催化熒光素（luciferin）等物質(zhì)發(fā)光的一類酶的統(tǒng)稱。和熒光素酶一樣，熒光素也是對(duì)能產(chǎn)生熒光的一類底物的統(tǒng)稱。不同的發(fā)光生物使用不同的熒光素酶催化不同的底物產(chǎn)生不同顏色的熒光。比較常見的熒光素酶有螢火蟲熒光素酶（firefly luciferase），細(xì)菌熒光素酶（bacterial luciferase），海洋生物熒光素酶（marine organism luciferase）等。

目前，應(yīng)用最廣的是北美螢火蟲來源的熒光素酶基因及其編碼的由550個(gè)氨基酸組成的熒光素酶蛋白，螢火蟲熒光素酶與熒光素在氧氣存在的條件下發(fā)生發(fā)光反應(yīng)（圖1），這個(gè)反應(yīng)能將幾乎所有的輸入能量都轉(zhuǎn)化為光，能量使用十分高效。同時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)生熒光的組織穿透能力明顯強(qiáng)于綠色熒光蛋白（GFP）；該反應(yīng)是酶與底物相互反應(yīng)發(fā)光，具有高特異性；熒光產(chǎn)生的過程不需要激發(fā)光的存在，幾乎沒有背景信號(hào)，信噪比高。優(yōu)點(diǎn)真是不要太多。

圖1.熒光素酶與熒光素的發(fā)光反應(yīng)

熒光素酶在生物學(xué)領(lǐng)域目前主要的應(yīng)用有：

1. 標(biāo)記基因，將熒光素酶基因插入不同基因啟動(dòng)子后成為該基因表達(dá)的報(bào)告基因，加入底物后通過檢測(cè)熒光強(qiáng)度來檢測(cè)目的基因的表達(dá)；

2. 標(biāo)記細(xì)胞，將熒光素酶基因轉(zhuǎn)染細(xì)胞，使細(xì)胞表達(dá)熒光素酶，通過檢測(cè)其與熒光素反應(yīng)產(chǎn)生熒光來監(jiān)測(cè)細(xì)胞生長(zhǎng)、增殖、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等細(xì)胞生命活動(dòng)；

3. 標(biāo)記微生物，通過電穿孔、基因插入等方式標(biāo)記寄生蟲、細(xì)菌、病毒等，再通過熒光示蹤對(duì)微生物在機(jī)體內(nèi)的繁殖、傳播規(guī)律以及治療藥物的篩選進(jìn)行研究；

4. 活體生物體內(nèi)成像，主要通過熒光素酶基因標(biāo)記活體細(xì)胞、動(dòng)物，然后通過活體成像系統(tǒng)對(duì)熒光進(jìn)行檢測(cè)，能直觀、快速、無創(chuàng)的對(duì)活體進(jìn)行檢測(cè)。目前已大量應(yīng)用于腫瘤動(dòng)物模型和藥物篩選中。

活體生物體內(nèi)成像案例一枚（裸鼠肝臟原位成瘤模型）：

1.  取處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的HepG2-luc細(xì)胞（穩(wěn)定轉(zhuǎn)染了Luciferase基因的HepG2細(xì)胞），消化、離心、細(xì)胞計(jì)數(shù)，將約5×10 6個(gè)細(xì)胞溶于0.1 mL DMEM培養(yǎng)液。

2. 用3%戊巴比妥鈉麻醉小鼠，待麻醉生效后，開腹暴露肝臟，用1ml胰島素注射針取步驟1中的細(xì)胞懸液注射裸鼠肝臟，用5-0絲線縫合傷口，活力碘消毒傷口，將裸鼠放在加熱墊上，待清醒后正常飲食飼養(yǎng)，觀察腫瘤的生長(zhǎng)。

3. 手術(shù)后不同時(shí)間對(duì)模型動(dòng)物進(jìn)行生物發(fā)光活體成像檢測(cè)，具體過程：用3%戊巴比妥鈉麻醉小鼠，再通過腹腔注射3mg底物luciferin，20~30分鐘后放入活體成像系統(tǒng)進(jìn)行熒光檢測(cè)，并拍照記錄。

圖2.HepG2-luc肝臟原位成瘤的活體成像

圖3. B16-luc皮下成瘤的活體成像

圖4. Luc標(biāo)記細(xì)胞的活體成像

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