报告基因表达调控在多种生物成像应用中的研究

荧光素酶报告基因系统是一种基于荧光素酶催化底物氧化反应产生生物发光的检测技术，广泛应用于细胞生物学研究。其中，萤火虫荧光素酶(firefly luciferase, Fluc)因其高灵敏度、宽线性检测范围(约7~8个数量级)以及较短的半衰期(在哺乳动物细胞中约为3小时，在植物细胞中约为3.5小时)而成为最常用的报告基因。其发光信号强度在酶浓度为10⁻¹⁶ mol/L至10⁻⁸ mol/L的范围内与酶活性呈线性关系，并且在理想条件下可检测到低至10⁻²⁰ mol/L的荧光素酶活性。此外，荧光素酶报告基因系统具有非放射性、检测快速、灵敏度高(比氯霉素乙酰转移酶CAT高100倍)等优点，特别适用于高通量筛选和活细胞检测。通过将荧光素酶报告基因载体转染至宿主细胞后，可利用荧光素酶检测系统灵敏且便捷地监测基因表达水平，已成为细胞生物学研究中的重要工具。

基本信息

英文标题：The regulation of reporter transgene expression for diverse biological imaging application

中文标题：报告基因表达调控在多种生物成像应用中的研究

发表期刊：《npj Imaging》

影响因子：

作者单位：

Cold Spring Harbor Laboratory, 1 Bungtown Road, Cold Spring Harbor, NY, 11724, USA

作者信息：

Alexandria S. Battison, Joseph R. Merrill, Jeremy C. Borniger & Scott K. Lyons

研究背景

报告基因通过表达可检测的产物，实现对原本难以观察的生物过程的无创可视化，已广泛应用于细菌、植物及高等真核生物的研究中。尽管常用报告基因(如 GFP、萤火虫荧光素酶)数量有限，但通过调控其表达模式，可实现对多种生物过程的特异性检测。当前研究的核心在于如何通过调控报告基因的表达，生成多样化的生物读数，尤其在临床前肿瘤学、神经科学以及新兴的癌症神经科学领域。不同成像模态各有优劣，需根据研究需求选择，而报告基因的表达调控方式(如启动子选择、载体类型等)直接影响成像结果的特异性和准确性，这一调控机制的优化是拓展其应用的关键。

研究方法

本文作为综述，主要围绕报告基因表达调控的策略及应用展开分析，未描述具体实验步骤，而是系统梳理了报告基因的调控机制与载体选择：在表达调控层面，从转录水平( constitutive 启动子、组织特异性启动子、条件性启动子)、转录后水平(lox-stop-lox cassette、多顺反子构建)、翻译后水平(降解标签、荧光共振能量转移(FRET)等)解析如何实现特异性表达;在载体选择方面，对比了非病毒载体(质粒、转座子系统)和病毒载体(慢病毒、腺病毒、腺相关病毒(AAV)、伪狂犬病病毒(PRV)等)的特性，包括包装容量、整合能力及组织嗜性;同时结合多种成像模态(生物发光、荧光、PET/SPECT、MRI 等)，讨论不同策略在肿瘤学和神经科学研究中的适用性。

实验结果

图1：影响报告基因表达的常见转基因和载体策略

该图展示了报告基因表达构建的基础架构及功能拓展策略。基础架构包括启动子、报告基因、剪接位点和 polyA 尾(1-4);通过添加 lox-stop-lox cassette(5)可实现 Cre 依赖的条件性表达，融合降解标签(7)或信号肽(8)可调控蛋白稳定性或定位，多顺反子设计(9)可同时表达多个报告基因，拆分报告基因(10)可检测蛋白相互作用。此外，不同病毒载体(如 AAV9、PRV)因嗜性差异可靶向特定细胞(神经元、上皮细胞等)，慢病毒适用于分裂细胞的稳定整合，腺病毒适用于瞬时表达。该图揭示了通过调控报告基因结构和载体类型，可实现多样化生物成像需求。

图2：临床前肿瘤学中组成型表达报告基因的成像示例

该图展示了不同成像模态在肿瘤研究中的应用。A 图通过萤火虫荧光素酶的生物发光成像(BLI)，灵敏追踪小鼠肺腺癌转移灶的分布，但信号受组织散射影响;B 图利用共表达的 mNIS 介导的 SPECT/CT 成像，清晰显示骨和软组织中的转移灶，弥补了 BLI 的局限性;C 图通过 OATP 转运蛋白增强 MRI 对比剂摄取，实现肿瘤的 T1 加权成像;D 图利用声学报告基因(mARGs)的超声成像，通过特定频率超声诱导的信号变化定量报告基因表达。这些结果表明，选择合适的报告基因和成像模态可互补优势，提升肿瘤成像的灵敏度和分辨率。

图3：体内和体外监测神经元和神经胶质细胞活动的方法

该图总结了神经科学研究中报告基因的应用策略。A 图展示病毒示踪技术：顺行示踪(从胞体到轴突末端)和逆行示踪(从轴突末端到胞体)可解析神经环路连接;B 图列举了功能传感器，包括钙离子(GCaMP)、电压、神经递质(如 iGluSnFR)等传感器，可实时监测神经元活动;C 图显示通过细胞类型特异性启动子(如 CaMKII 驱动兴奋性神经元、Dlx 驱动抑制性神经元)，或添加核定位信号(NLS)，可实现报告基因在特定细胞或亚细胞结构中的表达。该图体现了报告基因在解析神经功能和环路中的精准性。

图4：大脑结构和功能成像示例

A 图为自由活动小鼠视交叉上核中 VGAT 阳性神经元的 GCaMP6s 钙信号轨迹，信号幅度与钙离子浓度及神经元活动直接相关，反映神经元动态活动;B 图为 E15 小鼠胚胎脑室壁的多光子显微镜图像，通过子宫内电穿孔标记 M 期神经祖细胞(FlashTag，绿色)，结合 DAPI(蓝色)显示细胞分布，揭示神经发生过程。该图展示了报告基因在活体神经元功能监测和发育研究中的高时空分辨率优势。

研究结论

报告基因的表达调控可通过转录、转录后及翻译后多个水平实现，不同调控方式赋予成像读数不同的特异性和动态范围：转录水平的启动子选择决定细胞或组织特异性，转录后水平的重组酶系统可实现时空特异性激活，翻译后水平的降解标签或传感器设计可快速响应生物状态变化。载体类型显著影响报告基因的表达稳定性和组织靶向性，慢病毒适用于长期稳定表达，AAV 等病毒载体因嗜性差异可靶向特定细胞类型。这些策略在肿瘤学(如肿瘤生长追踪、转移监测)和神经科学(如神经元活动记录、神经环路示踪)中已展现出独特价值，且在癌症神经科学这一交叉领域，通过联合调控肿瘤细胞与神经细胞的报告基因表达，有望揭示肿瘤 - 神经相互作用的新机制，为疾病研究和治疗评估提供强大工具。