GUS レポーターシステム

GUSレポーターシステム（GUS：β-グルクロニダーゼ）はレポーター遺伝子システムであり、特に植物分子生物学^[1]および微生物学^[2]で有用である。使用する基質に応じて、いくつかの種類のGUSレポーター遺伝子アッセイが利用可能である。GUS染色という用語は、これらの中で最も一般的な組織化学技術を指す。

この技術の目的は、遺伝子転写プロモーターの活性（そのプロモーターの制御下にあるいわゆるレポーター遺伝子の発現に関して）を、何らかの活性の尺度を含む定量的方法、または異なる細胞、組織、または器官での活性の視覚化による定性的方法（オンとオフ）のいずれかで分析することです。この技術では、 β-グルクロニダーゼ酵素をコードする大腸菌のuidA遺伝子を利用します。[ ^3]この酵素は、特定の無色または非蛍光基質とともにインキュベートすると、それらを安定した有色または蛍光生成物に変換できます。^[4] GUS誘導性色の存在は、遺伝子が活発に発現されている場所を示します。このように、強力なプロモーター活性は多くの染色を生成し、弱いプロモーター活性は染色が少なくなります。

uidA遺伝子は目的の遺伝子と融合して遺伝子融合を作り出すこともできる。uidA遺伝子の挿入によりGUSが生成され、その後、さまざまなグルクロン酸抱合体を基質として検出することができる。^[4]

β-グルクロニダーゼの基質として使用できるグルクロニドには、必要な検出の種類（組織化学、分光光度法、蛍光法）に応じて、さまざまなものがあります。GUS組織化学染色の最も一般的な基質は、5-ブロモ-4-クロロ-3-インドリルグルクロニド（X-Gluc）です。X-GlucはGUSによって加水分解され、 5,5'-ジブロモ-4,4'-ジクロロインジゴ（diX-インジゴ）という生成物になります。diX-インジゴは青色に見え、光学顕微鏡で見ることができます。^{[5]このプロセスは、細菌レポーター遺伝子アッセイで一般的に行われているように、} β-ガラクトシダーゼ^[5]によるX-galの加水分解と類似しており、青色細胞が生成されます。

他のタイプの検出では、分光光度法ではp-ニトロフェニルβ-D-グルクロニド、蛍光法では4-メチルウンベリフェリル-β-D-グルクロニド（MUG）が一般的な基質として使用されます。^[6]

このシステムはもともと、リチャード・アンソニー・ジェファーソンがコロラド大学ボルダー校で博士号を取得していたときに開発されました。^[7]彼は1985年から1987年にかけてケンブリッジ植物育種研究所で働いていたときに、この技術を植物に応用しました。 ^[1]それ以来、何千もの研究室がこのシステムを使用しており、科学文献で何千もの引用があることからもわかるように、植物分子生物学で最も広く使用されているツールの1つとなっています。^[7]

生物がGUSアッセイに適しているのは、天然のβ-グルクロニダーゼ活性を欠いているか、またはその活性が非常に低い場合（バックグラウンド活性）です。このため、このアッセイはほとんどの脊椎動物と多くの軟体動物には役立ちません。^[6]高等植物、コケ類、藻類、シダ、真菌、およびほとんどの細菌ではGUS活性が検出されないため、^[6]このアッセイはこれらの生物の遺伝子発現研究に最適であり、植物科学ではレポーター遺伝子として最適であると考えられています。

GUSアッセイは、機能するために補因子やイオンの存在を必要としません。β-グルクロニダーゼは広範囲のpH値で機能することができ、熱不活性化に対してかなり耐性があります。^{[8]しかし、GUSはCu 2+}やZn ²⁺などの特定の重金属イオンによる阻害の影響を受けやすいです。

さらに、アッセイの解釈は、細胞全体にわたる diX-インディゴの動きによって制限されます。 DiX-インディゴは脂質と結合して酵素活性部位から遠くに拡散し、細胞質局在の欠如と基質浸透の不規則性を示します。 これにより、GUS タンパク質局在の誤った解釈につながる可能性があります。^[9]細胞局在の欠如にもかかわらず、GUS の核局在はよく観察されています。^[10] GUS アッセイは、染色の拡散を防ぐためにフェリシアン化カリウムの存在下で実行できます。 ^[5]

GUS システムは、プロモーター活性の分析に使用できる唯一の遺伝子レポーター システムではありません。他の競合システムには、例えば、ルシフェラーゼ、GFP、ベータガラクトシダーゼ、クロラムフェニコール アセチルトランスフェラーゼ(CAT)、アルカリホスファターゼなどがあります。どちらのシステムを使用するかは、主に、研究対象の生物と、研究を行っている研究室で使用できる画像技術および顕微鏡技術に依存します。

GUS アッセイやその他のレポーター遺伝子システムは、従来のプロモーター活性アッセイ以外の研究にも使用できます。レポーターシステムは、遺伝子送達システムの効率、遺伝子産物の細胞内局在、タンパク質間またはタンパク質と DNA の相互作用の検出、翻訳開始シグナルの効率、分子クローニングの成功の判定に使用されています。