荧光素的生物进化和生物合成

• 事实上化学合成的luciferyl–adenylate在没 有荧光素酶存在下就具有发光的本能，这 表明luciferyl–adenylate是一种具有自发氧 化发光的化学物质。因此荧光素酶的最基 本功能是将luciferin腺苷酸化。最近的证据 也表明虫荧光素酶是一个全功能的脂肪酸 CoA连接酶。
萤火虫荧光素酶的祖先形式可能只作为一种脂肪 酸CoA的连接酶，参与脂肪酸的代谢。直到荧光 素的出现才作为单氧化酶氧化荧光素发光。 间接证据：mealworm Tenebrio molitor (Coleoptera: Tenebrionidae)是一种与 Lampyridae昆虫亲缘关系较远的不发光生物。但 是它的蛋白抽提物能催化虫荧光素发光。这表明 mealworm中有一种功能与荧光素酶功能相近的 酶。这种酶也与它的脂肪体有关，可能这种酶在 脂肪体中起另一种功能即脂肪酸CoA的连接酶
2.3 荧光素的进化
• 对于荧光素酶的进化，我们可以从获得荧光素酶 基因的序列来获得。 • 而对于荧光素的进化情况就很复杂了。大量的发 光生物只具有少量的几种荧光素。目前已知的有 五种荧光素。
• 萤火虫荧光素
• 细菌荧光素
• dinoflagellate荧光素
• Vargula（介形亚纲动物，一些鱼类）荧光素
虽然目前还不知道Lampyridae荧光素的起源，但 是可以肯定不是由食物获取的（除了少数几种以 萤火虫为食的萤火虫），因为目前除了发光萤火 虫还没有发现萤火虫的食物和其他生物中有虫荧 光素。即使是其他发光生物，其荧光素也与虫荧 光素有很大差别。 基于虫荧光素的结构和其化学合成途径，虫荧光 素的thiazoline环可能源于Cys，最近的放射性标 记Cys研究也证明了这一点。 而benzothiazole环的来源还不清楚。但也很可能 来源于Cys。
• 人工合成的6HBC（6-hydroxybenzothiazole 2carboxylic acid）不稳定，很快就脱羧变成6HB。 目前也没有证据证明它是虫荧光素的一个前体， 因为在萤火虫的尾部抽提物中没有发现6HBC。 如果6HBC作为一种中间产物也可能只以结合 CoA的 thioester形式存在。
荧光素源于何处？
• 源于自身合成？ • 源于共生体细菌？
谢谢！
• 脂肪体假说 根据以上荧光素酶具有的脂肪酸CoA连接酶性， 我们可以假定萤火虫的发光器官就是它的脂肪体。 在发光细胞的过氧化物体里荧光素酶同时起着催 化脂肪酸的降解和催化荧光素氧化的双重功能 （单氧化酶活性）。荧光素酶对脂肪酸有某种偏 好。 事实上虫荧光素就是一种特异的脂肪酸。 证据：陆生昆虫中的arachidonic acid含量很少， 但是在萤火虫的发光器官中arachidonic acid具 有很高的含量。
荧光素的生物进化和生物合成
一 概述
自然界中主要的发光生物，都生活在海洋中，陆生的发光生物 主要是Lampyridae和一些与Lampyridae亲缘关系较近的甲虫。这 种发光行为可能由一种不太成熟的弱发光机制进化而来。也可能由 一种完全不相关的机制或某种突然的地质演变进化而来。要解决这 个问题，我们不仅要对生物发光的生化机制有充分了解，还要对荧 光素和荧光素酶的生物进化有充分的了解。对于荧光素酶的生物进 化我们可以对已知的荧光素酶基因进行比对而获得。目前我们能够 收集到的关于荧光素和荧光素酶的发光机制和荧光素酶的资料还是 不少，但是关于荧光素的生物进化我们还了解的很少。 解决荧光素的生物合成对于了解荧光素的生物进化是至关重要的。 还能完善生物荧光的报告子系统，更有利于我们推广荧光素酶-荧 光素的报告子系统。这里总结了最近几年在荧光素的生物进化和生 物合成上的进展。
eumelanin
• 用碱性过氧化氢处理头发会生成BTCA
细菌中硫胺的合成过程：
六 荧光素的合成与细菌的关系
昆虫与细菌的内共生关系 在Photinus species,Photuris species, Pyractonema angulata and Ellychnia corrusca萤火虫的肠道和淋巴液中发现了三 种mollicute。 但是并不是所有的萤火虫中都有mollicute。
二 生物荧光的起源
• 在众多的发光生物中，发光的颜色，发光 方式，发光生化反应都是不同的。早期的 研究者都认为发光生物的这种发光机制在 进化上是不保守的。
2.1生物荧光的作用
• • • • • • 引诱猎物 性信息的交流 警戒信号 伪装色 保护色 还有其他一些作用暂时还不了解
2.2反应活性氧假说
• 生化反应中只有氧化反应能够提供足够的能量使生物发光。 荧光素只有在被氧化状态下才能提供释放的量子能。因此 研究者都认为生物荧光起源于荧光素的氧化。反应活性氧 通常由氧分子（这里包括氢氧根，过氧化物，超氧化物） 衍生而来。这一假说首先应用于发光细菌的进化。 • 基于以上发光反应，使生态上获利的物种倾向于向更加亮 的生物荧光进化。 • 事实上反应活性氧在发光反应中是必须的并不表明活性氧 是驱使生物荧光进化的原动力。（很多不发光的生物也具 有活性氧）
4.1（早期）化学合成途径
• 体内的合成过程还没有得到验证
• 荧光素再生酶(LRE)（现代化学合成）
• 另一种含6HB（6-hydroxybenzothiazole）化合 物的转化
• pyrokelin中thiazole环的形成
一种想象的合成途径
五 荧光素相似物的生物合成 是一种间接途径的荧光素生物合成，如： thiazole环的形成 benthiazole环的百度文库成 这里列出三种主要的荧光素相似物： siderophore synthesis, melanogenesis thiamine synthesis
由此可见，荧光素可能是一种相对较新的代谢物， 生物荧光可能就起源于荧光素的出现，可能生物 荧光对生物是一种有利的选择，所以得以保留下 来。 如果这个假设是成立的，那么解释荧光素的进化 就基本可以解释生物荧光的起源。而了解荧光素 的生物合成对解释荧光素的起源是至关重要的。
四 荧光素的生物合成
假设： （1）某个突变引起代谢途径的变化，导致荧 光素的产生。 （2）生物被细菌感染，细菌分泌荧光素或某 种很容易被生物转化为荧光素的化合物。 （3）生物发生疾病导致突然改变食物而获取 荧光素或荧光素的前体
三 双功能酶（虫荧光素酶）
• 目前研究最多的虫荧光素酶是北美的 Photinus pyralis荧光素酶。这种酶有550个 Aa，分子量为61kd。在有ATP，氧气，镁 离子存在的情况下，它能催化荧光素的氧 化脱羧。整个反应的过程如下图：
荧光素与荧光素酶的催化反应
• 与虫荧光素酶具有最大同源性的是co-enzyme A (CoA) ligases，这些酶都具有一个共同的特点， 都能对羧酸进行腺苷酸化，形成活化的腺苷酸。 萤火虫荧光素酶就是对荧光素和腺苷酸的连接使 腺苷酸活化。因此荧光素酶具有co-enzyme A (CoA) ligases活性。
黑色素可分为两种： • eumelanin（brown-to-black） • phaeomelanin（yellow-to-reddish-brown） 这两种黑色素都是由简单的化合物合成的 tyrosine→dopaquinone→ 苯噻唑中间物→棕黑素 ↓ （没有thiol compound）
• copepods, squids, cnidarians,ctenophores, radiolarians, fish, mysid shrimps and chaetognaths
• 在一些生物中，它们能从自身的一些简单代谢物 直接合成荧光素。这样它们就要有一整套合成荧 光素的酶，目前已经发现原核生物Vibrio harveyi 能够自身合成荧光素。其他生物可能从食物中获 取基础代谢物来合成荧光素，如：Aequorea victoria以coelenterazine 为食而获取荧光素。因 此生物获取荧光素有以下三种途径： （1）自身合成 （2）从其他生物获取 （3）从其他生物获取基本底物再自身合成