转基因小鼠实现自主生物发光：突破性活体成像技术的诞生

本研究首次将细菌生物发光系统（lux基因簇）稳定整合至转基因小鼠基因组，成功培育出无需外源底物（luciferin）即可自发发光的哺乳动物模型。该技术克服了传统荧光素酶（luciferase）系统依赖底物注射、信号衰减和分布不均等缺陷，为长时程活体监测代谢、缺氧性疾病（如脑缺血）及细胞动态（如T细胞迁移）提供革命性工具。

　　

Abstract
细菌生物发光系统首次在哺乳动物体内实现稳定表达。研究者通过基因工程手段将包含luxAB（荧光素酶）、luxCDE（脂肪酸还原酶复合体）和frp（黄素还原酶）的六基因簇整合至小鼠基因组，培育出全球首例无需外源底物即可自主发光的转基因小鼠（Lux小鼠）。这一突破为活体长时程成像研究扫除了底物代谢干扰的技术障碍。

INTRODUCTION
传统荧光素酶-荧光素（luciferin-luciferase）报告系统虽广泛应用于肿瘤转移、免疫细胞追踪等领域，但存在三大瓶颈：外源底物注射干扰生理状态、信号强度受底物分布不均影响（如血脑屏障阻碍）、重复给药导致定量困难。细菌生物发光系统通过luxCDE合成脂肪醛（RCHO）和frp再生黄素单核苷酸（FMNH₂），形成闭环代谢通路，理论上可实现永久发光。此前该系统仅能在体外细胞中短暂表达，本研究首次将其推进至哺乳动物模型。

RESULTS
■ 基因设计
采用双CMV启动子驱动两组多顺反子结构：luxA-P2A-luxB-T2A-frp与luxD-P2A-luxE-T2A-luxC，通过病毒2A肽实现单转录本下的多蛋白表达。在HEK293和HeLa细胞中验证，单质粒系统的发光效率与六质粒混合体系相当。

■ 活体成像特征
选择白化型B6(Cg)-Tyr^c-2J/J小鼠品系以降低皮肤黑色素吸光干扰。活体成像显示发光强度呈现解剖学特异性分布：爪垫、口鼻、尾部等角质层薄弱区域信号最强，雄性躯干部位亮度显著高于雌性。这种分布模式可能与CMV启动子的组织偏好性、局部代谢活性（依赖ATP/NADPH供应）及表层组织氧分压有关。

■ 死亡后光信号动力学
断头处死后，尾部发光在数分钟内骤降，但皮肤样本可持续发光数小时。这种"僵尸发光"现象揭示：表皮细胞能通过直接氧扩散维持代谢，而深层组织因血供中断快速耗竭ATP。剥离的爪垫皮肤在体外仍保持发光能力，证实发光源主要位于浅表组织。

DISCUSSION
该技术为糖尿病胰岛细胞代谢监测、脑卒中缺氧损伤动态评估等长时程研究提供理想工具。值得注意的是，尽管细菌系统需持续消耗ATP和NADPH合成醛类底物，但转基因小鼠未表现生长异常或行为学缺陷，提示代谢负担在生理可承受范围内。未来可通过组织特异性启动子（如神经元Thy1、胰岛Ins2）实现靶向标记，结合基因编辑技术（如CRISPR）优化发光强度，最终目标是在自由活动动物中实现单细胞分辨率成像。

MATERIALS AND METHODS
■ 质粒构建采用AgeI/ApaI/NotI等酶切位点进行模块化组装
■ 细胞转染使用jetPRIME试剂，24小时后用Amersham 680RGB成像仪检测
■ 转基因小鼠通过Bxb1丝氨酸整合酶将表达盒定点插入ROSA26安全位点
■ 活体成像在PerkinElmer IVIS系统完成，3分钟曝光/次，37℃恒温控制