什么是报告基因？
报告基因( reporter gene) 是一种编码在内源蛋白背景下易被检测出来的蛋白质或酶的基因。报告基因与目的基因或调控序列相连，通过间接或直接检测报告基因编码产物的信号，比如报告蛋白、mRNA、酶等，直观反映细胞内基因的转录活性或表达水平。一般报告基因的特点是无毒、无免疫原性、易于检测、具有一定的特异性。报告基因编码产物的半衰期是比较关注的一个关键点。编码产物半衰期和报告基因的应用领域息息相关。[1]
那么报告基因该如何选择呢？在选择报告基因时一般基于以下几个原则，对宿主的影响，内源性活性影响以及方法是否成熟等。目前报告基因大致分为四类[2][3]，不同的报告基因有着不同的优缺点（表1）。下面就几种不同的报告基因做出举例介绍。
表1.不同报告基因的优势和劣势
绿色荧光蛋白报告基因
绿色荧光蛋白（Green fluorescent protein，GFP）来自维多利亚水母，是荧光蛋白中应用最多的一种。GFP可在508nm处自行发射绿色荧光，无需辅助因子和底物。将GFP基因插入质粒作为一种手段，可以达到许多功能目的。例如：GFP可作为报告基因用于检测目的基因表达或调控，或作为融合标签来检测蛋白质分子的定位、迁移或分子间的相互作用、靶向标记某些细胞器等等。GFP蛋白已经变为生物化学和细胞生物学中最广泛研究和利用的蛋白质之一。图1展示了GFP的蛋白模式图以及GFP基因导入Vero细胞后的镜下图。翌圣生物推出GFP报告基因质粒，对载体中预测出的其它转录因子以外的结合位点进行了适当的突变，增加了质粒的转录因子结合特异性。另外，由于质粒体积减小，使得报告基因更易于转染。
图1.GFP报告基因。a展示的是GFP的蛋白结构[1]。b展示经过CMV-GFP改造过的腺病毒感染的VERO细胞镜下图.[3]
氯霉素乙酰转移酶报告基因
氯霉素乙酰转移酶（chloramphenicol acetyltransferase, CAT）基因是一种细菌基因。细菌通过进化来中和抗生素氯霉素。CAT将乙酰基转移到氯霉素中，形成乙酰化氯霉素，从而将其改变为无害形式。如图2，当CAT反应完成后，要进行酶测定，首先从细胞中提取蛋白质，然后将该提取与用放射性氢合成的氯霉素（3H）混合。此外，底物乙酰辅酶A也被添加到混合物中。乙酰化的含量与存在的CAT酶的含量成正比。将产物置于薄层色谱（TLC）片上，置于适当的溶剂（氯仿和甲醇的混合物）中，其向上迁移暴露于X射线后被检测。被乙酰化的氯霉素可以X射线胶片上被看见。
图2.氯霉素乙酰转移酶报告基因。由于唯一的放射性分子是氯霉素，X射线胶片上唯一可见的分子是氯霉素及其所有乙酰化形式
1: promoter 1 construct; 2：promoter 2 construct;3：negative control; 4：positive control。
荧光素酶报告基因
在生物医药行业最主要的报告基因为荧光素酶报告基因。最常见的荧光素酶 （luciferase）基因来源于萤火虫。荧光素酶在ATP、氧气和Mg2+存在的条件下氧化荧光素，产生的荧光产物可进行定量测定。相对于其他报告基因，萤光素酶具有诸多优势：检测灵敏度高，如萤火虫萤光素酶的检测灵敏度可达 10-20 mol，灵敏度约为CAT 的 100 倍，信号半衰期可维持数小时；检测范围宽，可达 7-8 个数量级。[5]
除此之外，不同物种中已经鉴定出其他荧光素酶，它们的动力学、底物要求和光子发射波长各不相同。我公司产品应用中关于酶报告基因检测系统的原理和应用有详细介绍，可查看往期荧光素酶介绍。翌圣生物推出荧光素酶报告基因（Luciferase reporter gene）系列产品。该系列包括世界全面的不同转录因子结合位点的荧光素酶报告基因质粒和慢病毒颗粒及相应的报告基因检测试剂盒，包括单荧光素酶报告基因检测试剂盒；双荧光素酶报告基因检测试剂盒；活体成像试剂等。
细胞膜锚定海荧光素酶
膜锚定受体或抗体，膜锚定受体或抗体，可以特异性地捕获配体、抗原或半抗原，这些配体或半抗原可以通过放射性、磁性或荧光探针标记进行检测。[2]例如，野生型的荧光素酶一般都是分泌到细胞区域，光信号都是从细胞培养基中获得。膜锚定荧光素酶是表达于细胞膜上。可以固定观察基因表达信号的强弱。海荧光素酶（Cypridina luciferase，CLuc） 经过改造可以锚定在细胞膜上，又被称为细胞膜锚定的海荧光素（membrane-anchored Cypridina luciferase，maCLuc）酶图4展示的是导入荧光素酶的C6 细胞(鼠胶质瘤)被植入鼠大腿肩膀处。移植后7天进行成像。
图4.左图为野生型荧光素酶，右图为膜锚定荧光素酶。图像是在给予CLuc特异性底物海荧光素后30 s进行成像
综上所述，多种报告基因和可选择的标记基因广泛用于诊断工具。更简单，更快速和更灵敏的报告基因会继续被开发应用于生命科学领域，翌圣生物作为生命科学领域工具提供者，将会陆续推出报告基因检测系列产品，敬请期待。
参考文献：
[1] Atar Mohammed et al.Reporter Gene Application in Diagnostic Assay:ReviewInternational Journal of Genetics 5(2): 39-47, 2015
[2] 刘荔桢,王灿,邵泓.报告基因法在生物技术药物活性检测中的应用[J].中国药师,2021,24(07):349-352. DOI:10.19962/j.cnki.issn1008-049X.2021.07.029.
[3] Soboleski, Mark R et al. “Green fluorescent protein is a quantitative reporter of gene expression in individual eukaryotic cells.” FASEB journal : official publication of the Federation of American Societies for Experimental Biology vol. 19,3 (2005): 440-2. doi:10.1096/fj.04-3180fje
[4] Moroz, Maxim A et al. “Introducing a new reporter gene, membrane-anchored Cypridina luciferase, for multiplex bioluminescence imaging.” Molecular therapy oncolytics vol. 21 15-22. 17 Mar. 2021, doi:10.1016/j.omto.2021.03.004
[5] 牛安娜;苏昕;张晓鹏;;报告基因法在生物技术药物活性检测中的应用[J];生物技术通讯;2019年02期。