萤火虫Pyrocoelia pectoralis生物发光相关基因的转录组比较分析揭示荧光素代谢调控新机制

本研究针对萤火虫幼虫发光器官与非发光组织的转录组差异展开分析，通过RNA-seq技术筛选出调控荧光素代谢的关键基因。研究发现cystathionine gamma-lyase、4-coumarate:CoA ligases等基因在发光组织中显著上调，揭示了L-半胱氨酸(L-cysteine)和1,4-苯醌(1,4-benzoquinone)等荧光素前体合成路径，为阐明Pyrocoelia pectoralis生物发光机制提供理论依据。

　　

在自然界中，萤火虫通过腹部特化的发光器官产生迷人的生物冷光，这种由荧光素酶催化氧化D-荧光素(D-luciferin)的化学反应已研究百余年，但荧光素生物合成途径仍存在诸多未解之谜。Pyrocoelia pectoralis作为东亚特有萤火虫物种，其幼虫期持续发光特性为研究发光代谢网络提供了理想模型。此前研究多聚焦于荧光素酶基因，而对荧光素前体合成、转运及储存相关基因知之甚少，这严重制约了生物发光系统的全链条解析。

为解决这一科学问题，Wang Guobao团队采用RNA-seq技术对P. pectoralis幼虫的发光器官与非发光组织进行转录组比较分析。研究首先构建了两种组织的cDNA文库，通过Illumina测序平台获取转录组数据，利用生物信息学方法筛选差异表达基因(DEGs)，并采用qRT-PCR验证关键基因表达模式。结合KEGG通路富集分析，重点考察了与荧光素前体合成相关的代谢通路。

差异表达基因筛选

研究发现发光组织中胱硫醚γ裂解酶(cystathionine gamma-lyase)表达显著上调3.2倍，该酶催化L-半胱氨酸生成的关键步骤，而L-半胱氨酸是荧光素硫原子供体。同时，4-羟基苯丙酮酸双加氧酶(4-hydroxyphenylpyruvate dioxygenase)表达量增加2.8倍，该酶参与合成1,4-苯醌——荧光素苯环结构前体。

4-香豆酸:CoA连接酶家族作用

研究首次发现4-香豆酸:CoA连接酶(4-coumarate:CoA ligases)家族多个成员在发光组织特异性高表达，推测其可能催化2-S-半胱氨氢醌(2-S-cysteinylhydroquinone)形成，这是荧光素合成的关键中间体。

固醇载体蛋白功能推测

鉴定到58 kDa固醇载体蛋白2(Scp2)在发光组织高表达，其序列分析与已知参与过氧化物酶体β氧化的ScpXs蛋白具有相似结构域，提示Scp2可能在荧光素酯化储存过程中发挥类似功能。

荧光素活化与储存机制

酰基辅酶A硫酯酶(acyl-CoA thioesterases)和α-甲基酰基辅酶A消旋酶(alpha-methylacyl-CoA racemase)的表达上调，暗示发光组织存在特殊的脂肪酸代谢重编程。双功能3′-磷酸腺苷5′-磷酰硫酸合成酶1(bifunctional 3′-phosphoadenosine 5′-phosphosulfate synthase 1)与荧光素硫转移酶(luciferin sulfotransferase)的协同高表达，揭示了D-荧光素活化储存的分子基础。

该研究系统绘制了P. pectoralis发光器官特异的转录组图谱，首次提出"半胱氨酸-苯醌-硫酯化"三位一体的荧光素合成调控网络模型。发现4-香豆酸:CoA连接酶家族和Scp2等新候选基因的调控作用，为人工合成荧光素类似物提供了酶学工具箱。研究成果不仅深化了对生物发光分子机制的认识，其揭示的硫原子转移机制对开发新型生物标记物具有重要启示意义。论文发表于《Geochimica et Cosmochimica Acta》，为相关领域研究提供了重要理论框架。