Archaerhodopsin - Archaerhodopsin

Archaerhodopsin proteiny jsou a rodina z sítnice -obsahující fotoreceptory nalezen v archaea rody Halobacterium a Halorubrum. Stejně jako homologní protein bakteriorhodopsin (bR), archaerhodopsiny sklízejí energii ze slunečního záření na pumpování H+ ionty z buňky a vytvářejí protonovou hybnou sílu, která se používá pro ATP syntéza. Mají určité strukturální podobnosti se savci GPCR protein rhodopsin, ale nejsou to pravé homology.

Archaerhodopsiny se liší od bR tím, že bordová membrána, ve které jsou exprimovány, obsahuje bakterioruberin, druhý chromofor myslel na ochranu proti fotobělení. bR také chybí omega smyčka struktura, která byla pozorována na N-konci struktur několika archaerhodopsinů.

Jako nástroje jsou široce používány mutanty archaerhodopsinu-3 (AR3) optogenetika pro neurovědecký výzkum.[1]

Etymologie

Termín archaerhodopsin je portmanteau z archaea (dále jen doména ve kterém se nacházejí bílkoviny) a rhodopsin (fotoreceptor odpovědný za vidění v savčí oko ).[2]

archaea z Starořečtina ἀρχαῖα (arkhaîa, „starověký“), množné a střední číslo ἀρχαῖος (arkhaîos, „starověký“).[3]
rhodopsin ze starořečtiny .όδον (rhódon, "růže") kvůli své narůžovělé barvě a ὄψις (ópsis, „zrak“).[4]

Členové rodiny archaerhodopsinů

Dosud bylo identifikováno sedm členů rodiny archaerhodopsinů.

názevZkr.OrganismusGenBankUniProtPDBČj.
Archaerhodopsin-1AR1Halobacterium sp. Aus-1J05165P690521UAZ[2]
Archaerhodopsin-2AR2Halobacterium sp. Aus-2S56354P295633WQJ[5]
Archaerhodopsin-3AR3 nebo ArchHalorubrum sodomenseGU045593P967876S6C[6]
Archaerhodopsin-4AR4Halobacterium sp. xz515AF306937 [7]
Archaerhodopsin-BD1AR-BD1 nebo HxARHalorubrum xinjiangenseAY510709Q6R5N7[8]
Archaerhodopsin-HeSlyšetHalorubrum ejinorenseLC073751[9]
Archaerhodopsin-TP009AR-TP009Halorubrum sp. TP009[10]

Archaerhodopsiny-1 a -2 (AR1 a AR2)

Archaerhodopsiny 1 a 2 (AR1 a AR2) byly prvními archaerhodopsiny, které byly identifikovány, a jsou vyjádřeny Halobacterium sp. Aus-1 a Aus-2 resp. Oba druhy byly poprvé izolovány v západní Austrálie na konci 80. let.[2][5][11] The krystalové struktury obou proteinů vyřešili Kunio Ihara, Tsutomo Kouyama a spolupracovníci at Nagojská univerzita, společně se spolupracovníky v Jaro-8 synchrotron.[12]

Archaerhodopsin-3 (AR3 nebo Arch)

AR3 je vyjádřeno Halorubrum sodomense.[6] Organismus byl poprvé identifikován v Mrtvé moře v roce 1980 a vyžaduje vyšší koncentraci Mg2+ ionty pro růst než související halofili.[13] The aop3 Gen byl klonován Iharou a kolegy v Nagojská univerzita v roce 1999 a bylo zjištěno, že protein sdílí s 59% sekvenční identitu bakteriorhodopsin.[6]

Jako nástroje jsou široce používány mutanty archaerhodopsinu-3 (AR3) optogenetika pro neurovědecký výzkum.[1]

AR3 byl nedávno představen jako fluorescenční senzor napětí.[14]

Archaerhodopsin-4 (AR4)

AR4 je vyjádřen v Halobacterium species xz 515. Organismus byl poprvé identifikován v solném jezeře v Tibet.[7][15] Gen kódující AR4 byl identifikován H Wangem a kolegy v roce 2000.[16] Ve většině bakteriorhodopsinových homologů H+ k uvolnění do extracelulárního média dochází před přijetím náhradního iontu z cytosolické strany membrány, avšak za kyselých podmínek nalezených v přirozeném prostředí organismu je pořadí těchto stadií ve fotocyklu AR4 obráceno.[17]

Archaerhodopsin-BD1 (AR-BD1)

AR-BD1 (také známý jako HxAR) je vyjádřen Halorubrum xinjiangense.[8] Organismus byl nejprve izolován z Jezero Xiao-Er-Kule v Sin-ťiang, Čína.[18]

Archaerhodopsin-He (HeAr)

HeAR je vyjádřen Halorubrum ejinorense.[9] Organismus byl poprvé izolován od Ejinorského jezera v vnitřní Mongolsko, Čína.[19]

Archaerhodopsin-TP009 (AR-TP009 nebo ArchT)

AR-TP009 je vyjádřeno Halorubrum sp. TP009. Jeho schopnost působit jako neurální tlumič byla zkoumána u myší kortikální pyramidové neurony.[10]

Obecné rysy

Výskyt

Terciární povrchový model archaerhodopsinu.
Archaerhodopsinový povrchový model.

Stejně jako ostatní členové mikrobiální rhodopsin rodina, archaerhodopsiny jsou exprimovány ve specializovaných doménách buněčná povrchová membrána, běžně nazývaná bordová membrána. Navíc etherové lipidy, bordó membrána obsahuje bakterioruberin (50-uhlík karotenoid pigment), o kterém se předpokládá, že chrání před fotobělením. Mikroskop pro atomovou sílu obrázky bordových membrán několika archaerhodopsinů ukazují, že proteiny jsou trimerický a jsou uspořádány do a šestihranná mříž.[20] Bakterioruberin se také podílí na oligomerizaci a může usnadňovat interakce protein-protein v nativní membráně.[21][22]

Funkce

Archaerhodopsiny jsou aktivní transportéry, s využitím energie z sluneční světlo pumpovat H+ ionty z buňky, aby generovaly protonovou hybnou sílu, pro kterou se používá ATP syntéza. Odstranění sítnicového kofaktoru (např. Ošetřením hydroxylamin ) ruší funkci transportéru a dramaticky mění absorpční spektra proteinů. Schopnost AR3 čerpat proton byla prokázána u rekombinantů E-coli buňky[23] a AR4 v liposomy.[17]

V klidovém nebo základním stavu archaerhodopsinu je vázaná sítnice v all-trans formě, ale po absorpci fotonu světla to izomerizuje do 13-cis. Protein obklopující chromofor reaguje na změnu tvaru a prochází uspořádanou sekvencí konformační změny, které jsou souhrnně označovány jako fotocykl. Tyto změny mění polarita okolního prostředí titrovatelný aminokyselina postranní řetězce uvnitř proteinu, umožňující H+ být čerpán z cytoplazmy na extracelulární stranu membrány. The přechodné stavy fotocyklu lze identifikovat podle absorpční maxima.[17][24]

Struktury

Schéma terciární struktury archaerhodopsinu.
Archaerhodopsin terciární struktura, zobrazující transmembránovou oblast (modrozelenou), zbytek sítnice (purpurová), povrch extracelulární membrány (hnědá), povrch intracelulární membrány (žlutá).

Krystalové struktury klidového nebo základního stavu AR1 (rozlišení 3,4 Å) a AR2 (rozlišení 1,8 Å) byly uloženy v Proteinová datová banka.[12][25] Oba proteiny mají sedm transmembrán α-šroubovice a dvouvláknové extracelulární β-list. Sítnice je kovalentně vázán prostřednictvím Schiffova základna do a lysin zbytek na šroubovici G.[12][poznámka 1] Konzervovaná sekvence DLLxDGR, blízká extracelulární orientaci N-konec obou proteinů tvoří pevně zakřivený omega smyčka který se podílí na vazbě bakterioruberinu.[21]

Použití ve výzkumu

Archaerhodopsiny pohánějí hyperpolarizace buněčné membrány vylučováním protonů v přítomnosti světla, čímž inhibuje akční potenciál střelba neuronů.[26] Tento proces je spojen se zvýšením extracelulárních pH spojené s aktivitou těchto proteinů. Tyto vlastnosti umožňují, aby se archaerhodopsiny běžně používaly jako nástroje optogenetický studie se chovají jako faktory inhibice přenosu za přítomnosti světla.[27] Při expresi v intracelulárních membránách aktivita protonové pumpy zvyšuje cytosol pH, tato funkce může být použita pro optogenetické okyselování lysozomů a synaptických vezikul, je-li zaměřena na tyto organely.[28]

Dějiny

V 60. letech byla v roce objevena protonová pumpa poháněná světlem Halobacterium salinarum a volal Bacteriorhodopsin. V následujících letech proběhly různé studie membrány H. salinarum určit mechanismus těchto protonových pump poháněných světlem.

V roce 1988 další skupina Manabu Yoshidy v Osaka University uvádí novou protonovou pumpu citlivou na světlo z kmene Halobacterium kterou nazvali Archaerhodopsin.[2] O rok později stejná skupina uvedla izolaci genu, který kóduje archaerhodopsin.[11][29]

Poznámky

  1. ^ Helix G je nejbližší transmembránová spirála k C-konec.

Reference

  1. ^ A b Flytzanis NC, Bedbrook CN, Chiu H, Engqvist MK, Xiao C, Chan KY, Sternberg PW, Arnold FH, Gradinaru V (2014). „Varianty archaerhodopsinu se zvýšenou fluorescencí citlivou na napětí v neuronech savců a Caenorhabditis elegans“. Příroda komunikace. 5: 4894. Bibcode:2014NatCo ... 5.4894F. doi:10.1038 / ncomms5894. PMC  4166526. PMID  25222271.
  2. ^ A b C d Mukohata Y, Sugiyama Y, Ihara K, Yoshida M (březen 1988). „Australská halobakterie obsahuje nový retinální protein protonové pumpy: archaerhodopsin.“ Sdělení o biochemickém a biofyzikálním výzkumu. 151 (3): 1339–45. doi:10.1016 / S0006-291X (88) 80509-6. PMID  2833260.
  3. ^ Archaea v Wikislovník Zdarma slovník
  4. ^ Rhodopsin v Wikislovník Zdarma slovník
  5. ^ A b Uegaki K, Sugiyama Y, Mukohata Y (duben 1991). „Archaerhodopsin-2 z Halobacterium sp. Aus-2 dále odhaluje zbytky esenciálních aminokyselin pro protonové pumpy poháněné světlem“. Archivy biochemie a biofyziky. 286 (1): 107–10. doi:10.1016 / 0003-9861 (91) 90014-A. PMID  1654776.
  6. ^ A b C Ihara K, Umemura T, Katagiri I, Kitajima-Ihara T, Sugiyama Y, Kimura Y, Mukohata Y (leden 1999). "Vývoj archeaálních rhodopsinů: změny rychlosti evoluce duplikací genů a funkční diferenciací". Journal of Molecular Biology. 285 (1): 163–74. doi:10.1006 / jmbi.1998.2286. PMID  9878396.
  7. ^ A b Li Q, Sun Q, Zhao W, Wang H, Xu D (červen 2000). "Nově izolovaný archaerhodopsin z kmene čínských halobakterií a jeho chování při čerpání protonů". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Biomembrány. 1466 (1–2): 260–6. doi:10.1016 / S0005-2736 (00) 00188-7. PMID  10825447.
  8. ^ A b Geng X, Dai G, Chao L, Wen D, Kikukawa T, Iwasa T (2019). „Dvě po sobě následující polární aminokyseliny na konci šroubovice E jsou důležité pro rychlý obrat fotocyklu archaerhodopsinu“. Fotochemie a fotobiologie. 95: 980–989. doi:10.1111 / php.13072. PMID  30548616.
  9. ^ A b Chaoluomeng, Dai G, Kikukawa T, Ihara K, Iwasa T (2015). "Microbial Rhodopsins of Halorubrum Species Isolated From Ejinoor Salt Lake in Inner Mongolia of China". Photochem. Fotobiol. Sci. 14 (11): 1974–82. doi:10,1039 / c5pp00161g. PMID  26328780.
  10. ^ A b Xue H, Chow BY, Zhou H, Klapoetke NC, Chuong A, Rajimehr R, Yang A, Baratta MV, Winkle J, Desimone R, Boyden ES (2011). „Optický nervový tlumič s vysokou citlivostí na světlo: vývoj a aplikace na optogenetickou kontrolu kůry primátů (kromě člověka)“. Frontiers in Systems Neuroscience. 5 (18): 1–8. doi:10.3389 / fnsys.2011.00018. PMC  3082132. PMID  21811444.
  11. ^ A b Sugiyama Y, Maeda M, Futai M, Mukuhata Y (1989). „Izolace genu, který kóduje nový retinální protein, archaerhodopsin, z Halobacterium Sp. Aus-1“. J. Biol. Chem. 264 (35): 20859–62. PMID  2592356.
  12. ^ A b C Enami N, Yoshimura K, Murakami M, Okumura H, Ihara K, Kouyama T (2006). „Krystalové struktury archaerhodopsinu-1 a -2: Společný strukturní motiv v protonových pumpách poháněných archaálním světlem“. J. Mol. Biol. 358 (3): 675–685. doi:10.1016 / j.jmb.2006.02.032. PMID  16540121.
  13. ^ Oren A (1983). "Halobacterium sodomense sp. listopad. mrtvé moře Halobacterium s extrémně vysokým požadavkem na hořčík “. International Journal of Systematic Bacteriology. 33 (2): 381–386. doi:10.1099/00207713-33-2-381.
  14. ^ Kralj JM, Douglass AD, Hochbaum DR, Maclaurin D, Cohen AE (listopad 2011). „Optický záznam akčních potenciálů v savčích neuronech pomocí mikrobiálního rhodopsinu“. Přírodní metody. 9 (1): 90–5. doi:10.1038 / nmeth.1782. PMC  3248630. PMID  22120467.
  15. ^ Wang Y, Ma D, Zhao Y, Ming M, Wu J, Ding J (2012). „Protonové pumpy archaerhodopsinu a bakteriorhodopsinu a polymerní matrice z těchto funkčních proteinů poháněné světlem“. Acta Polymerica Sinica. 12 (7): 698–713. doi:10.3724 / SP.J.1105.2012.12051.
  16. ^ Wang, S. Zhan, Q. Sun, D. Xu, W. Zhao, W. Huang, Q. Li., 2000. Primární struktura šroubovice C až šroubovice G nového retinálního proteinu v H.sp.xz515. Brada. Sci. Bull., 45: 1108-1113.
  17. ^ A b C Ming M, Lu M, Balashov SP, Ebrey TG, Li Q, Ding J (2006). „Závislost pH na světle poháněném protonu čerpaném archaerhodopsinem z Tibetu: srovnání s bakteriohodopsinem“. Biophys. J. 90 (9): 3322–32. Bibcode:2006BpJ .... 90,3322 mil. doi:10.1529 / biophysj.105.076547. PMC  1432102. PMID  16473896.
  18. ^ Feng J, Zhou PJ, Liu SJ (2004). „Halorubrum xinjiangense sp. Nov., Nový halofil izolovaný ze slaných jezer v Číně“. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology. 54 (5): 1789–1791. doi:10.1099 / ijs.0.63209-0. PMID  15388744.
  19. ^ Castillo AM, Gutiérrez MC, Kamekura M, Xue Y, Ma Y, Cowan DA, Jones BE, Grant WD, Ventosa A (2007). "Halorubrum Ejinorense Sp. Nov., Isolated From Lake Ejinor, Inner Mongolia, China". International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology. 57 (11): 2538–2542. doi:10.1099 / ijs.0.65241-0. PMID  17978215.
  20. ^ Tang L, Sun Q, Li Q, Huang Y, Wei Q, Zhang Y, Hu J, Zhang Z (2001). "Zobrazování bakteriorhodopsinových molekul klaretových membrán z tibetských halobakterií xz515 mikroskopem s atomovou silou". Bulletin čínské vědy. 46 (22): 1897–1900. Bibcode:2001ChSBu..46.1897T. doi:10.1007 / BF02901167. S2CID  96378194.
  21. ^ A b Yoshimura K, Kouyama T (2008). „Strukturální role bakterioruberinu v trimerní struktuře archaerhodopsinu-2“. Journal of Molecular Biology. 375 (5): 1267–81. doi:10.1016 / j.jmb.2007.11.039. PMID  18082767.
  22. ^ Chao S, Ding X, Cui H, Yang Y, Chen S, Watts A, Zhao X (2018). "In situ studie funkce bakterioruberinu v duálních chromoforech fotoreceptorů archaerhodopsin-4". Angew. Chem. 57 (29): 8937–8941. doi:10,1002 / anie.201803195. PMID  29781190.
  23. ^ Gunapathy S, Kratx S, Chen Q, Hellingwerf K, de Groot H, Rothschild K, de Grip W (2019). „Redshifted and Near-infrared Active Analog Pigments Based on Archaerhodopsin-3“. Fotochemie a fotobiologie. 95 (4): 959–968. doi:10.1111 / php.13093. PMC  6849744. PMID  30860604.
  24. ^ Geng X, Dai G, Chao L, Wen D, Kikukawa T, Iwasa T (2019). „Dvě po sobě jdoucí polární aminokyseliny na konci helixu E jsou důležité pro rychlý obrat fotocyklu Archaerhodopsin“. Fotochemie a fotobiologie. 95 (4): 980–989. doi:10.1111 / php.13072. PMID  30548616.
  25. ^ Kouyama T, Fujii R, Kanada S, Nakanishi T, Chan SK, Midori M (2014). "Struktura archaerhodopsinu-2 při rozlišení 1,8 Å". Acta Crystallogr D Biol Crystallogr. 70 (10): 2692–701. doi:10.1107 / S1399004714017313. PMC  4188009. PMID  25286853.
  26. ^ Chow BY, Han X, Dobry AS, Qian X, Chuong AS, Li M, Henninger MA, Belfort GM, Lin Y, Monahan PE, Boyden ES (leden 2010). „Vysoce výkonné geneticky zaměřitelné optické tlumení nervů protonovými pumpami poháněnými světlem“. Příroda. 463 (7277): 98–102. Bibcode:2010Natur.463 ... 98C. doi:10.1038 / nature08652. PMC  2939492. PMID  20054397.
  27. ^ El-Gaby M, Zhang Y, Wolf K, Schwiening CJ, Paulsen O, Shipton OA (2016). „Archaerhodopsin selektivně a reverzibilně umlčuje synaptický přenos prostřednictvím změněného pH“. Zprávy buněk. 16 (8): 2259–68. doi:10.1016 / j.celrep.2016.07.057. PMC  4999416. PMID  27524609.
  28. ^ Rost BR, Schneider F, Grauel MK, Wozny C, Bentz C, Blessing A, Rosenmund T, Jentsch TJ, Schmitz D, Hegemann P, Rosenmund C (prosinec 2015). "Optogenetické okyselení synaptických vezikul a lysozomů". Přírodní neurovědy. 18 (12): 1845–1852. doi:10.1038 / č. 4161. PMC  4869830. PMID  26551543.
  29. ^ Oren, A (1994). „Enzymová rozmanitost v halofilních archaeách“ (PDF). Microbiología. 10 (3): 217–228. PMID  7873098. Archivovány od originál (PDF) dne 4. července 2012. Citováno 8. dubna 2018.