在基因编辑小鼠模型中，报告基因是实现基因表达可视化追踪的核心工具。研究人员将报告基因与目标基因或调控元件一同插入小鼠基因组，通过检测报告基因的发光或荧光信号，即可在活体状态下，实时监测目的基因在特定组织、发育阶段或疾病模型中的表达动态。

 

报告基因概念

 

报告基因是一类在细胞、组织、器官或个体中易于检测的基因，用于示踪目的基因是否成功转录和翻译。

 

基本原理是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（如报告蛋白、mRNA或酶）的信号，直观反映细胞内基因的转录活性或表达水平。

 

理想的报告基因通常具备无毒、无免疫原性、易于检测、特异性高等特点。作为报告基因，在遗传选择和筛选检测方面必须具有以下几个条件：

 

① 已被克隆和全序列已测定；

 

② 表达产物在受体细胞中不存在，且在被转染的细胞中无相似的内源性表达产物；

 

③ 其表达产物能进行定量测定。

 

④ 易于筛选/不影响细胞正常生理（无毒、无干扰）

 

常用报告基因

 

荧光蛋白、荧光素酶是生物研究中最常用的两种报告基因类型。

 

1、荧光蛋白

 

荧光蛋白是一类能够自发荧光的蛋白质，无需外加底物或辅助因子，仅需特定波长的光激发即可发射荧光。

 

常用的荧光报告基因包括EGFP/ZsGreen，mCherry/tdTomato等，它们在光谱特性、亮度和应用场景上各有差异。

 

1）绿色荧光蛋白（GFP）家族是最早发现且应用广泛的类型，其中EGFP作为野生型GFP的改良版本，激发峰488nm，发射峰507nm，亮度极高、成熟快、光稳定性好，是通用的报告基因和融合蛋白标签，适用于基因表达监测、蛋白质定位、细胞器标记和流式分选等。

 

ZsGreen光谱与EGFP相似，光稳定性更优，适合长时间成像，但天然为四聚体，用作融合标签时需改造为单体。

 

2）红色荧光蛋白因发射波长更长，组织穿透力强、背景低，适合活体成像。

 

mCherry激发峰587nm，发射峰610nm，为单体蛋白，亮度高、光稳定性好，是理想的融合蛋白标签，被广泛用于生物技术作为示踪剂的红色荧光染料，包括分子的标记和细胞组分的定位等。

 

tdTomato是目前最亮的红色荧光蛋白之一，激发峰554nm，发射峰581nm，亮度约为mCherry的两到三倍，但分子量大、为串联二聚体。特别适合弱启动子驱动的基因表达检测、活体深层组织成像以及神经元形态示踪等对灵敏度要求较高的应用场景，通常不推荐作为融合蛋白标签。

 

2、萤光素酶（Luciferase）报告基因

 

与荧光蛋白不同，萤光素酶无需外部光源激发，而是在ATP、氧气和镁离子的参与下，催化底物（萤光素，luciferin）发生氧化反应，生成高能的中间产物氧化萤光素（OxyLuciferin），并在这个过程中释放出光子（hv）产生可见光。

 

由于其发光过程不依赖外部光源，极大降低背景干扰，检测灵敏度远高于荧光蛋白，尤其适合微弱信号的检测。

 

图源：iGEM 2016, Team: Ionis Paris

 

目前最常用的有两种：萤火虫萤光素酶（Firefly Luciferase, Fluc）以D-萤光素为底物，需ATP参与，发射560nm黄绿光；海肾萤光素酶（Renilla Luciferase, Rluc）以腔肠素为底物，无需ATP，发射480nm蓝光。两者底物和光谱不同，常与Fluc联用组成双萤光素酶报告系统，在同一实验中实现内参校正。

 

核心应用是研究基因表达调控。将目标启动子克隆至萤光素酶基因上游，转染细胞后通过检测发光强度反映启动子转录活性。双萤光素酶系统（Fluc+Rluc）通过内参校正转染效率差异，使结果更加准确可靠，是miRNA靶标验证和启动子活性分析的经典方法。

 

萤光素酶报告基因以其灵敏度高、背景低、定量准确的优势，在基因表达调控、信号通路研究、药物筛选、细胞活力和活体成像等领域广泛应用。

 

如何选择？

 

•活细胞实时追踪蛋白质定位或多色成像：首选单体蛋白EGFP（绿色）或mCherry（红色），双色成像经典组合为EGFP+mCherry。

 

•检测弱表达基因或活体深层组织成像：选择亮度高的tdTomato。

 

•追求高灵敏度、低背景噪声或定量分析：选择Luciferase，尤其适合启动子活性分析、药物筛选和体内生物发光成像。

 

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参考资料：

[1]Serganova I, Blasberg RG. Molecular Imaging with Reporter Genes: Has Its Promise Been Delivered? J Nucl Med. 2019 Dec;60(12):1665-1681. doi: 10.2967/jnumed.118.220004. PMID: 31792128; PMCID: PMC12079160.

 

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