结合BV的蓝细菌光敏色素SPI1085g3的荧光特征及分子改造研究(文献综述)
1.蓝细菌光敏色素
光敏色素（phytochrome）是广泛存在于植物、细菌等生物体内的一类特殊的光受体（photoreceppter，又称感光器，下文统称光受体）。植物光敏色素在种子的发芽、植物茎的生长、开花等生理活动中起到调节光周期的重要作用[1]。植物光敏色素蛋白的编码需要基因序列中PAS（Per/Arnt/Sim）、PHY（phytochrome-specific）和GAF（GMP-phosphodiessterase/adenylate cyclase/FhlA）区域同时存在。
蓝细菌光敏色素（cyanobacteriochromes，下文称CBCRs）是一种类植物色素光受体，存在于各种淡水、海洋藻类中。CBCRs的作用形式与光敏色素类似，但相对于光敏色素，CBCRs不需要PHY结构域，只需要GAF或PAS-GAF结构域即可[2]。鉴于蓝藻易于批量繁殖、荧光产量高等优点，CBCRs在荧光标记领域具有巨大的应用潜力。
蓝细菌光敏色素的结构与光谱特征
CBCRs作为光受体，其三级结构类似一个口袋，并能够通过GAF结构域中高度保守的半胱氨酸基团或N端的半胱氨酸残基连接发色团（chromophore），并通过结构异化在不活跃的暗吸收（absorbing dark state）和活跃的光产出（photoproduct）两个形态间进行转化，这种过程称为光转换（photoconversion）[2]。
当光受体连接不同的发色团时在Pr和Pb形式的吸收峰波长是不同的。
由于哺乳动物对不同波长的光的吸收能力不同，我们可以得到哺乳动物体外成像的最佳“光学窗口”在650-1000nm左右。同时，在这个范围内，波长红移越明显，散射现象越弱，对人体的伤害越小。对于激发波长和吸收波长位于最佳“光学窗口”附近的统称为近红外荧光蛋白（Near infrared florescent proteins，简称NIR FPs），而属于这类蛋白的蓝藻荧光色素称为细菌光敏色素蛋白（Bacteriophytochromes，简称BphPs）[3]。
目前投入应用的蓝藻荧光蛋白主要来自于合胞藻属（Synechocystis sp.，前缀Sy）、鱼腥藻属（Anabaena sp.，前缀An）、细长嗜热聚球藻（Thermosynechococcus elongates，前缀Te）、沼泽红假单胞菌（Rhodopseudomonas palustris，前缀Rh）等。他们的光周期特征取决于他们的C15=C16双键Z/E光异构化，主要根据其与PCB结合后的光谱特征分为四个亚家族：绿/红亚家族（G/R CBCRs subfamily）基态为绿光吸收态（15Z），激发态为红光吸收态（15E）;红/绿亚家族（R/G CBCRs subfamily）基态则为红光吸收态（15Z），激发态为绿光吸收态（15E）[4]；而C-插入型亚家族和DxCF亚家族（Asp-Xaa-Cys-Phe subfamily）则引入了第二个半胱氨酸辅基与发色团结合，当发色团为PCB时，会使其缓慢转化为PVB，这使得他们的基态有了明显的蓝移。这两个亚家族有时会合称蓝/绿亚家族（B/G subfamily），但是他们的基态与激发态波长跨度实际上很大——基态倾向于更短的波长，从近紫外区到蓝光区，而激发态则更倾向于长波长，从蓝光到橙光区[5]。
与蓝藻荧光色素结合的常见自然产生的发色团多数为藻胆蛋白。藻胆蛋白结构稳定，荧光产率受pH影响较小，是具有广泛应用前景的荧光标记物[6]。化学结构以线性四吡咯（linear tetrapyrrole）为主，包括胆绿素（Biliverdin，简称BV）、藻蓝素（phycocyanobilin，简称PCB）、藻红素（phycoerythrobilin，简称PEB）等[2]。
其中，除了BV以外的几种都是蓝藻自身产生的藻胆素，而BV作为血红素（heme）的降解产物，则是由哺乳动物自体产生的。BV因不需要额外添加发色团、不产生氧气、过氧化氢等代谢产物、成熟周期短、具有低背景干扰的近红外光学成像特点等优点[7]，十分适宜作为结合的发色团。
即使结合了同样的发色团，从不同生物、不同种群中提取出的光受体，在结合后的表现也是不一样的——因为肽链的差异会或多或少地影响蓝藻荧光色素的构型，这会使得发色团与光受体的结合紧密程度、结合个数、光子传输速率发生变化，并最终体现在荧光量、吸收和发射峰峰值与波长等方面。
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