Iontový kanál se světelnou bránou - Light-gated ion channel

Iontové kanály se světelnou bránou jsou rodina iontové kanály regulováno elektromagnetická radiace. Mezi další hradlové mechanismy pro iontové kanály patří napěťově řízené iontové kanály, ligandem řízené iontové kanály, mechanosenzitivní iontové kanály, a teplotně řízené iontové kanály. Většina iontových kanálů se světelnou bránou byla syntetizována v laboratoři pro studium, ačkoli dva přirozeně se vyskytující příklady, channelrhodopsin a aniontově vodivý kanál rhodopsin, jsou v současné době známy.[1][2] Fotoreceptorové proteiny, které působí podobným způsobem jako iontové kanály se světelnou bránou, jsou obecně klasifikovány jako Receptory spojené s G proteinem.

Mechanismus

Iontové kanály se světelnou bránou fungují podobným způsobem jako jiné iontové kanály s bránou. Takový transmembránové proteiny tvoří póry lipidové dvojvrstvy usnadnit průchod ionty. Tyto ionty se pohybují z jedné strany membrány na druhou pod vlivem elektrochemický gradient. Když je vystaven stimulu, a konformační ke změně dochází v transmembránové oblasti proteinu za účelem otevření nebo uzavření iontového kanálu. Ve specifickém případě světelně řízených iontových kanálů jsou transmembránové proteiny obvykle spojeny s menší molekulou, která působí jako fotoswitch, čímž fotony Vazba na spínací molekulu, aby se změnila konformace proteinů, takže póry se změní z uzavřeného stavu do otevřeného stavu nebo naopak, čímž se zvýší nebo sníží vodivost iontů. Sítnice je dobrým příkladem molekulárního fotopřepínače a nachází se v přirozeně se vyskytujících channelrhodopsinech.[3][4]

Syntetické izoformy

Jakmile byl identifikován a charakterizován channelrhosopsin, byla za účelem kontroly upravena iontová selektivita kanálu membránový potenciál přes optogenetický řízení. Směrované mutace kanálu změnily náboje lemující póry, což vedlo k póru, který místo toho vyloučil kationty ve prospěch anionty.[5]

Jiné typy řízených iontových kanálů, s ligandem a napěťově řízené, byly syntetizovány se světelnou bránou ve snaze lépe porozumět jejich povaze a vlastnostem. Přidáním sekce se světelnou bránou lze kinetiku a mechanismy provozu studovat do hloubky. Například přidání komponenty se světelnou bránou umožňuje zavedení mnoha vysoce podobných ligandů, které mají být zavedeny do vazebného místa iontového kanálu s ligovanou bránou, aby pomohly při stanovení mechanismu.

Takové iontové kanály byly upraveny vazbou fotopřepínače, aby na iontovém kanálu byla fotocitlivost. To se provádí pečlivým výběrem postroje, který se může prodloužit nebo zkrátit fotoizomerizace. Jedna strana provazce je navázána na protein iontového kanálu a druhý konec provazce je navázána na blokující skupinu, která má vysokou vazebnou afinitu k exponované části pórů. Když je tether prodloužen, umožňuje blokovací sekci vázat se na póry a zabránit iontovému proudu. Když je postroj zkrácen, naruší tuto překážku a otevře póry. Kinetické studie prokázaly, že tímto způsobem lze dosáhnout jemné časové a prostorové kontroly.[6][7]

Fotoizomerizace azobenzenu mezi jeho trans a cis izomery

Azobenzen je běžnou volbou pro funkční část tetheru pro synteticky vyvinuté iontové kanály se světelnou bránou kvůli dobře zdokumentované změně délky buď jako cis nebo trans izomery, stejně jako buzení vlnová délka k vyvolání fotoizomerizace. Azobenzen se převádí na delší trans-izomer na vlnové délce λ = 500 nm a na jeho cis-izomer při X = 380 nm.[6]

V roce 1980 byl prvním iontovým kanálem, který byl upraven pro studium pomocí mechanismu se světelnou bránou, nikotinový acetylcholinový receptor.[8] Tento receptor byl v té době dobře známý, a proto byl vhodný pro adaptaci a umožňoval studovat kinetiku, jak to dříve nebylo možné.

Exprese iontových kanálů se světelnou bránou v konkrétním typu buňky promotér řízení umožňuje regulaci buněčného potenciálu buď depolarizující membránu na 0 mV pro kation-propustný kanálový rodopsin nebo udržováním napětí na –67 mV pro aniontově vodivý kanálový rodopsin.[9] Depolarizace může vést a proud v rozsahu 5 fA na kanál a vyskytuje se v časovém měřítku akční potenciály a neurotransmiter exocytóza.[10][4] Mají výhodu oproti jiným typům regulace iontových kanálů v tom, že poskytují neinvazivní, reverzibilní změny potenciálu membrány s jemnou časovou a prostorovou kontrolou zajištěnou indukcí prostřednictvím laser podněty.[3][6] Spolehlivě stimulují jednočinné potenciály s rychlou depolarizací a lze je využít in vivo protože k udržení funkce nevyžadují osvětlení vysoké intenzity, na rozdíl od jiných technik, jako je aktivace světlem protonové pumpy a fotoaktivovatelné sondy.[5][10]

Příklady

Příklady iontových kanálů se světelnou bránou se vyskytují v přírodním i syntetickém prostředí. Tyto zahrnují:

Přirozeně se vyskytující

Synteticky přizpůsobeno

Reference

  1. ^ „Inženýrské iontové kanály se světelnou bránou“ — Biochemie, 45 (51), 15129 -15141, 2006
  2. ^ Govorunova, Elena G .; Sineshchekov, Oleg A .; Janz, Roger; Liu, Xiaoqin; Spudich, John L. (08.08.2015). „Aniontové kanály s přirozeným světlem: Rodina mikrobiálních rodopsinů pro pokročilou optogenetiku“. Věda. 349 (6248): 647–650. doi:10.1126 / science.aaa7484. ISSN  0036-8075. PMC  4764398. PMID  26113638.
  3. ^ A b Nagel, Georg; Brauner, Martin; Liewald, Jana F .; Adeishvili, Nona; Bamberg, Ernst; Gottschalk, Alexander (2005). „Lehká aktivace Channelrhodopsinu-2 v excitabilních buňkách Caenorhabditis elegans spouští rychlé behaviorální reakce“. Aktuální biologie. 15 (24): 2279–2284. doi:10.1016 / j.cub.2005.11.032. PMID  16360690.
  4. ^ A b Nagel, Georg; Szellas, Tanjef; Huhn, Wolfram; Kateriya, Suneel; Adeishvili, Nona; Berthold, Peter; Ollig, Doris; Hegemann, Peter; Bamberg, Ernst (2003-11-25). „Channelrhodopsin-2, přímo světelný kation-selektivní membránový kanál“. Sborník Národní akademie věd. 100 (24): 13940–13945. doi:10.1073 / pnas.1936192100. ISSN  0027-8424. PMC  283525. PMID  14615590.
  5. ^ A b Wietek, Jonas; Wiegert, J. Simon; Adeishvili, Nona; Schneider, Franziska; Watanabe, Hiroši; Tsunoda, Satoshi P .; Vogt, Arend; Elstner, Marcus; Oertner, Thomas G. (2014-04-25). "Konverze Channelrhodopsinu na chloridový kanál se světelnou bránou". Věda. 344 (6182): 409–412. doi:10.1126 / science.1249375. ISSN  0036-8075. PMID  24674867.
  6. ^ A b C Banghart, Matthew; Borges, Katharine; Isacoff, Ehud; Trauner, Dirk; Kramer, Richard H (prosinec 2004). "Světlo aktivované iontové kanály pro dálkové ovládání vypalování neuronů". Přírodní neurovědy. 7 (12): 1381–1386. doi:10.1038 / nn1356. ISSN  1546-1726. PMC  1447674. PMID  15558062.
  7. ^ Jog, Parag V .; Gin, Mary S. (2008-09-01). „Světlovodný syntetický iontový kanál“. Organické dopisy. 10 (17): 3693–3696. doi:10.1021 / ol8013045. ISSN  1523-7060. PMID  18656946.
  8. ^ „Kovalentně vázaný fotoizomerizovatelný agonista. Srovnání s reverzibilně vázanými agonisty na elektroforetických elektroplatech“ - The Journal of General Physiology, Vol 75, 207-232
  9. ^ Berndt, Andre; Lee, Soo Yeun; Ramakrishnan, Charu; Deisseroth, Karl (2014-04-25). "Strukturovaná transformace Channelrhodopsinu na chloridový kanál aktivovaný světlem". Věda. 344 (6182): 420–424. doi:10.1126 / science.1252367. ISSN  0036-8075. PMC  4096039. PMID  24763591.
  10. ^ A b Ishizuka, Toru; Kakuda, Masaaki; Araki, Rikita; Yawo, Hiromu (2006). „Kinetické vyhodnocení fotocitlivosti v geneticky upravených neuronech exprimujících světelné kanály zelených řas“. Neurovědecký výzkum. 54 (2): 85–94. doi:10.1016 / j.neures.2005.10.009. PMID  16298005.
  11. ^ Cosentino, C .; Alberio, L .; Gazzarrini, S .; Aquila, M .; Romano, E .; Cermenati, S .; Zuccolini, P .; Petersen, J .; Beltrame, M .; Etten, J. L. Van; Christie, J. M .; Thiel, G .; Moroni, A. (2015). „Inženýrství draslíkového kanálu se světelnou bránou“. Věda. 348 (6235): 707–710. doi:10.1126 / science.aaa2787. PMID  25954011.
  12. ^ Beck, Sebastian; Yu-Strzelczyk, Jing; Pauls, Dennis; Constantin, Oana M .; Gee, Christine E .; Ehmann, Nadine; Kittel, Robert J .; Nagel, Georg; Gao, Shiqiang (2018). „Syntetické iontové kanály aktivované světlem pro optogenetickou aktivaci a inhibici“. Frontiers in Neuroscience. 12: 643. doi:10.3389 / fnins.2018.00643. ISSN  1662-453X. PMC  6176052. PMID  30333716.
  13. ^ Bernal Sierra, Yinth Andrea; Rost, Benjamin R .; Pofahl, Martin; Fernandes, António Miguel; Kopton, Ramona A .; Moser, Sylvain; Holtkamp, ​​Dominik; Masala, Nicola; Beed, Prateep; Tukker, John J .; Oldani, Silvia (2018). „Optogenetické umlčení na základě draslíkového kanálu“. Příroda komunikace. 9 (1): 4611. doi:10.1038 / s41467-018-07038-8. ISSN  2041-1723. PMC  6218482. PMID  30397200.
  14. ^ Anzai, Jun-Ichi; Osa, Tetsuo (1994). "Fotocitlivé umělé membrány na bázi azobenzenu a derivátů spirobenzopyranu". Čtyřstěn. 50 (14): 4039–4070. doi:10.1016 / S0040-4020 (01) 86704-1.
  15. ^ Folgering, Joost H. A .; Kuiper, Johanna M .; de Vries, Alex H .; Engberts, Jan B. F. N .; Poolman, Bert (2004). „Aktivace světla zprostředkovaného lipidy mechanosenzitivního kanálu velké vodivosti“. Langmuir. 20 (17): 6985–6987. doi:10.1021 / la048942v. PMID  15301476.