Cloning,Expression and Sequence Analysis of A Luciferase Gene from the Chinese Firefly Pyrocoelia pygidialis

从一种来自中国日行性萤火虫(云南窗萤)发光器官mRNA中克隆、测序并表达了有功能的荧光素酶.云南窗萤荧光素酶的cDNA序列有1647个碱基,编码548个氨基酸残基.从推测得到的氨基酸序列的比对分析得出:云南窗萤的荧光素酶与来自Lampyris noctiluca,L.turkestanicus和Nyctophila cf.caucasica三种萤火虫的荧光素酶有97.8%的序列一致性.从推测得出的氨基酸序列进行系统发育分析,其结果表明:云南窗萤和Lampyris+Nyctophila聚在一起,与同属的发光强夜行性的萤火虫不形成的单系.云南窗萤荧光素酶在大肠杆菌中表达的条带大约70kDa,并且在有荧光素存在时发出黄绿色荧光.对荧光素酶的结构模拟和分析表明,云南窗萤荧光素酶基因的氨基端和羧基端结构域之间的裂沟处存在这5个多肽环,这正是从其他荧光素酶推测得到的催化荧光反应时的底物结合位点.云南窗萤和窗萤属的其他3种萤火虫的荧光素酶卡目比,有13个不同氨基酸位点,位于模拟分子结构的表面.对于这些多肽环、不刚氨基酸残基和晶体结构的进一步研究有利于解释日行和夜行性萤火虫荧光素酶的差异.

Cloning and characterization of the cDNA for the Brazilian Cratomorphus distinctus larval firefly luciferase: Similarities with European Lampyris noctiluca and Asiatic Pyrocoelia luciferases

Studies on firefly (Lampyridae) luciferases have focused on nearctic species of Photinus and Photuris and Euroasiatic species of Lampyris, Luciola, Hotaria, and Pyrocoelia. Despite accounting for the greatest diversity of fireflies in the world, no molecular studies have been carried out on the highly diverse genera from the neotropical region. Here we report the luciferase cDNA cloning for the larva of the Brazilian firefly Cratomorphus distinctus. The cDNA has 1978 bp and codes for a 547-residue-long polypeptide. Noteworthy, sequence comparison as well as functional properties show the highest degree of similarity with Lampyris noctiluca (93%) and Pyrocoelia spp. (91%) luciferases, suggesting a close phylogenetic relationship despite the geographical distance separating these species. The bioluminescence emission spectrum peaks at 550 nm and, as expected, is sensitive to pH, shifting to 605 nm at pH 6. The kinetic properties of the recombinant luciferase were similar to those of other firefly luciferases. © 2004 Elsevier Inc. All rights reserved.

栉角雪萤的荧光酶基因结构及其系统发育分析

短角窗萤属是萤科第四大属,但未见有该属物种荧光酶基因的研究报道.通过对总基因组的PCR扩增,对该属的栉角雪萤荧光酶基因进行了测序分析.基因序列长1 958 bp.与已知荧光酶基因进行同源性比较后推断,栉角雪萤的荧光酶基因由7个外显子和6个内含子组成,编码547个氨基酸残基;由推导的氨基酸序列进行同源性比较后发现,栉角雪萤的荧光酶基因与同一亚科中Lampyrini族和Cratomorphini族分别具有93-94%和92%相似性,而与北美萤火虫Photinus pyralis(Photinini族)的相似性较低(83%).系统发育分析进一步表明栉角雪萤与Pyrocoelia、Lampyris、Cratomorphus和Photinus同属于萤亚科,且与前3个属的亲缘关系较近.这在一定程度上与形态(Branham & Wenzel,2003)及线粒体DNA(Li et al,2006)系统发育分析所得结果一致.

国萤火虫的系统分类与进化研究

萤火虫因具有生物荧光现象而众所周知。狭义的萤火虫仅指萤科昆虫，而广义的萤火虫则包括萤科和雌光萤科昆虫。萤科和雌光萤科在分类上隶属于节肢动物门、昆虫纲、鞘翅目、多食亚目、软鞘类昆虫。萤火虫主要生活在热带和亚热带地区，广布于除南极洲以外的各大洲。中国地跨热带、亚热带地区，具有潜在的物种多样性，但在中国，尤其在大陆地区，对萤火虫的研究相对较少。为了更好的保护和应用中国的萤火虫，本文对中国萤火虫的系统分类和进化进行了初步研究。 本文先简单概述了自然界的发光生物类群、生物发光的原理、生物荧光的生物学意义及应用，之后，从以下几个方面对萤火虫的研究概况作了概述：首先，介绍了萤科的分类地位、形态特征、分类历史与现状，并根据文献初步总结了当前萤科分类中使用的属名、各属的物种数及地理分布概况；其次，介绍了雌光萤科的分类地位、形态特征及分类概况；第三，从宏观和微观两方面介绍了萤火虫的系统发育与进化研究概况。 根据对标本检视及对文献归纳整理的初步结果，中国萤科昆虫隶属于5亚科(Lampyrinae, Amydetinae, Luciolinae, Ototretinae, Psilocladinae)、13属(Lampyris, Diaphanes, Pyrocoelia, Lucidotopsis, Lucidina, Pristolycus, Lamprigera, Vesta, Luciola, Curtos, Drilaster, Stenocladius, Cyphonocerus)、116种，其中包括1个新种、10个中国新记录种。Lampyrinae 亚科包括7个属：Lampyris仅包括1种；Diaphanes包括18种，其中1个新种，3个中国新记录种；Pyrocoelia包括23种，其中2个中国新记录种；Lucidotopsis包括2种；Lucidina包括5种；Pristolycus包括6种，其中3个中国新记录种；Lamprigera包括3种。Amydetinae 亚科包括1个属即Vesta，该属在中国分布5种，其中1个中国新记录种。Luciolinae亚科包括2个属：Luciola包括28种，其中1个中国新记录种；Curtos包括9种。Ototretinae亚科包括2个属：Drilaster包括10种；Stenocladius包括2种。Psilocladinae亚科在中国仅分布1个属即Cyphonocerus，该属在中国仅分布3种。新种Diaphanes pectinealis的发现对Pyrocoelia和Diaphanes两个相似属的界定提出了新的挑战，因此，当前萤科昆虫分类学研究中，对这两个属的系统修订是急需的，这也表明中国萤科分类的研究对完善萤科的分类系统具有重要意义。 中国雌光萤科仅包括1个属即雌光萤属，该属主要分布于东洋区，已知种类32种，中国分布16种。为了更好了解这类特殊的发光甲虫，根据文献和对标本的检视，对雌光萤属的32种作了简要介绍，并根据文献编制了种检索表。 为了更好的探讨萤火虫的系统发育关系，本文对采自云南的18种萤科昆虫进行线粒体16S基因的部分测序，加上来自GenBank的已知同源序列，采用贝叶斯法、邻接法和最大简约法构建了包括日本、韩国和中国萤科的5个亚科、12个属共45个种50个种群及近缘科雌光萤科的1个种的系统发育树。根据所构建的系统发育树得出如下结论：萤科不是单系；Amydetinae亚科是萤科中相对原始的亚科，推测Lamprigera属（其亚科分类地位有争议，当前放在Lampyrinae）与Amydetinae有近缘关系；由于Pristolycus sagulatus （当前放在Lampyrinae，但其亚科分类地位也有争议）出现在Luciolinae中，Luciolinae的单系概念仍是一个有争议的课题；在Luciolinae中，Curtos 和Hotaria均为单系，但形态学和分子数据依然表明萤科最大的属Luciola不是单系，对这个属的再分是必需的；由于一些在亚科分类上有争议的属如Lamprigera和Pristolycus目前均放在Lampyrinae，因此，Lampyrinae是否是单系有待于这些属的分类工作的进一步完善；在Lampyrinae中，Lucidina 是单系；Pyrocoelia 和 Diaphanes均不是单系，但Pyrocoelia+Diaphanes是很好的单系。 本文首次讨论了Diaphanes属在萤科中的系统发育地位。结合形态学和行为学的观察，确立了采自云南高黎贡山的1个具有Pyrocoelia 和Diaphanes两个属的某些镶嵌特征但具有特殊的触角结构的1个特殊种即Diaphanes pectinealis的分属及新种地位。这一新种的发现对Pyrocoelia 和 Diaphanes两个属的界定提出了挑战。结合形态学、行为学和交配体系的概念，在萤科分类中应该对受性选择的特征如触角予以更多的关注。

中国两种萤火虫荧光素酶基因的分子克隆表达及其序列分析

本文通过5’-RACE和3’-RACE方法克隆了西双版纳地区的卵黄萤Luciola ovalis和端黑萤Luciola terminalis两种荧光素酶基因。两个荧光素酶基因被连接到pET-15b载体上并在BL21(DE3)菌株中表达。L. ovalis荧光素酶基因的开放阅读框有1635个碱基，编码一个544个氨基酸的蛋白。L. terminalis荧光素酶基因有一个1647bp的开放阅读框，编码一个548个氨基酸的蛋白。它们的氨基酸序列和北美萤火虫(Photinus pyralis)的氨基酸序列分别有65.3%和65.9%的相似性，而彼此之间又有73.5%的相似性。两种在大肠杆菌中表达的荧光素酶均有很高的活性，它们的最大发光波长分别是566 nm和563 nm。同时表达的四种荧光素酶(L. ovalis、L. terminalis、Hotaria parvula和Pyrocoelia miyako)在不同pH下活性变化很大，四种荧光素酶在pH 6.5-7.5之间有比较高的活性，其中L. ovalis和P. miyako两种荧光素酶在pH 7.0时活性最高，而另两种在pH 7.5时活性最高。当pH大于8.0时，这四种荧光素酶的活性都散失很快，可见它们对pH变化非常敏感。序列分析和结构模拟发现，荧光素酶活性位点周围有六个非常保守的结构域，这六个保守区域包含了大多数在催化发光反应中与底物荧光素和ATP结合的氨基酸。L. terminalis萤火虫荧光素酶的三级结构与L. cruciata荧光素酶晶体结构非常相似，而L. ovalis荧光素酶的三级结构在AMP结合位点附近有两个偏离的环。

萤火虫的荧光素酶基因克隆表达及发光行为的初步研究

本研究围绕萤火虫的荧光素酶克隆表达和发光行为两方面来进行。首先对萤火虫的发光体系和发光行为进行了概述，然后对萤火虫荧光素酶cDNA进行了克隆表达分析，探讨了日行性和夜行性萤火虫荧光素酶的差异。最后通过萤火虫的饲养和发光行为观察研究，对卵发光的意义进行了探讨。本研究克隆了三种云南萤火虫的荧光素酶基因，并成功表达出两种有活性的荧光素酶。其中日行性萤火虫云南窗萤(Pyrocoelia pygidialis)的荧光素酶基因完成了首次克隆，并在大肠杆菌中成功表达出有功能的荧光素酶。测序结果表明：P. pygidialis荧光素酶的cDNA序列有1647个碱基，编码548个氨基酸残基。系统发育分析表明云南窗萤与同属三种发光很亮的萤火虫不形成单系，在一定程度上印证了P. pygidialis以及同属微弱发光的日行性种类与持续发出很亮荧光的夜行性种类构成窗萤属两个分支的观点；并且从发光器官的形态差异初步推断这两个分支之间是独立进化的。荧光素酶的结构模拟分析表明，云南窗萤荧光素酶的N端和C端结构域之间的裂沟处存在着五个多肽环，这是已知荧光素酶推测的活性位点。日行性的云南窗萤和三种夜行性萤火虫的荧光素酶有13个不同氨基酸，位于模拟的分子结构表面。这些氨基酸的差异，有利于进一步分析日行性和夜行性萤火虫荧光素酶结构的不同。对栉角雪萤(Diaphanes pectinealis)的荧光素酶cDNA也完成了克隆表达。结果表明其cDNA序列有1647个碱基，编码548个氨基酸残基，比从基因组中获得基因序列多3个碱基。体外表达产物在底物存在时发出黄绿色光。对雌光萤科Rhagophthalmus sp.的荧光素酶基因进行了克隆和氨基酸序列比对。得出其荧光素酶基因与来自同一科的荧光素酶基因有最高的一致性为90.7％，和鞘翅目另外三个科的物种的一致性在65％以下，显示出雌光萤科独特的分类地位。通过对采自昆明郊区的云南窗萤和一种扁萤属萤火虫的饲养和发光行为的观察，得出萤火虫的卵和蛹阶段持续发微弱的光的结论，且首次发现了卵发光在发育过程中的变化。本文对卵发光行为进行了描述，并在此基础上对萤火虫卵和蛹两阶段发光的原因和意义进行了探讨。