Archaerhodopsin

Archaerhodopsin- proteiner är en familj av retinal -innehållande fotoreceptorer som finns i archaea -släktena Halobacterium och Halorubrum . Liksom det homologa bakteriohodopsin (bR)-proteinet, skördar arkaerhodopsiner energi från solljus för att pumpa H ⁺ -joner ut ur cellen, vilket skapar en protondrivkraft som används för ATP- syntes. De har vissa strukturella likheter med däggdjurs- GPCR -proteinet rhodopsin , men är inte riktiga homologer.

Archaerhodopsins skiljer sig från bR genom att claretmembranet, i vilket de uttrycks, inkluderar bakterioruberin , en andra kromofor som tros skydda mot fotoblekning . bR saknar också omega- loopstrukturen som har observerats vid N-terminalen av strukturerna hos flera arkaerhodopsiner.

Mutanter av Archaerhodopsin-3 (AR3) används ofta som verktyg inom optogenetik för neurovetenskaplig forskning.

Etymologi

Termen archaerhodopsin är en portmanteau av archaea ( domänen där proteinerna finns) och rhodopsin (en fotoreceptor som ansvarar för synen i däggdjursögat ).

archaea från antikens grekiska ἀρχαῖα (arkhaîa, "urgammal"), plural- och neutrumformen av ἀρχαῖος (arkhaîos, "urgammal").

rhodopsin från antikens grekiska ῥόδον (rhódon, "ros"), på grund av sin rosa färg, och ὄψις (ópsis, "syn").

Historia

På 1960-talet upptäcktes en lättdriven protonpump i Halobacterium salinarum och kallades Bacteriorhodopsin. Under de följande åren gjordes olika studier av membranet hos H. salinarum för att bestämma mekanismen för dessa ljusdrivna protonpumpar.

1988 rapporterade en annan Manabu Yoshidas grupp vid Osaka University om en ny ljuskänslig protonpump från en stam av Halobacterium som de kallade Archaerhodopsin. Ett år senare rapporterade samma grupp att de isolerade genen som kodar för Archaerhodopsin.

Medlemmar av familjen archaerhodopsin

Sju medlemmar av archaerhodopsin-familjen har hittills identifierats.

namn	Abbr.	Organism	GenBank	UniProt	PDB	Ref.
Archaerhodopsin-1	AR1	Halobacterium sp. Aus-1	J05165	P69052	1UAZ
Archaerhodopsin-2	AR2	Halobacterium sp. Aus-2	S56354	P29563	3WQJ
Archaerhodopsin-3	AR3 eller Arch	Halorubrum sodomense	GU045593	P96787	6S6C
Archaerhodopsin-4	AR4	Halobacterium sp. xz515	AF306937
Archaerhodopsin-BD1	AR-BD1 eller HxAR	Halorubrum xinjiangense	AY510709	Q6R5N7
Archaerhodopsin-He	Höra	Halorubrum ejinorense	LC073751
Archaerhodopsin-TP009	AR-TP009	Halorubrum sp. TP009

Archaerhodopsins-1 och -2 (AR1 och AR2)

Archaerhodopsin 1 och 2 (AR1 och AR2) var de första arkaerhodopsinerna som identifierades och uttrycks av Halobacterium sp. Aus-1 respektive Aus-2 . Båda arterna isolerades först i västra Australien i slutet av 1980-talet. Kristallstrukturerna för båda proteinerna löstes av Kunio Ihara, Tsutomo Kouyama och medarbetare vid Nagoya University , tillsammans med medarbetare vid Spring-8 synkrotronen .

Archaerhodopsin-3 (AR3 eller Arch)

AR3 uttrycks av Halorubrum sodomense . Organismen identifierades först i Döda havet 1980 och kräver en högre koncentration av Mg ²⁺ -joner för tillväxt än relaterade halofiler . Aop3 - genen klonades av Ihara och kollegor vid Nagoya University 1999 och proteinet visade sig dela 59% sekvensidentitet med bakteriorodopsin . Kristallstrukturen för AR3 löstes av Anthony Watts vid Oxford University och Isabel Moraes vid National Physical Laboratory , tillsammans med medarbetare på Diamond Light Source .

Mutanter av Archaerhodopsin-3 (AR3) används ofta som verktyg inom optogenetik för neurovetenskaplig forskning.

AR3 har nyligen introducerats som en fluorescerande spänningssensor.

Archaerhodopsin-4 (AR4)

AR4 uttrycks i Halobacterium-arter xz 515 . Organismen identifierades först i en saltsjö i Tibet . Genen som kodar för AR4 identifierades av H Wang och kollegor år 2000. I de flesta bakteriodopsinhomologer sker H ^{+ -frisättning till det extracellulära mediet innan en ersättningsjon tas upp från den cytosoliska sidan av membranet, dock under de sura förhållanden som finns i} organismens naturliga livsmiljö är ordningen för dessa stadier i AR4-fotocykeln omvänd.

Archaerhodopsin-BD1 (AR-BD1)

AR-BD1 (även känd som HxAR) uttrycks av Halorubrum xinjiangense . Organismen isolerades först från sjön Xiao-Er-Kule i Xinjiang , Kina .

Archaerhodopsin-He (HeAr)

HeAR uttrycks av Halorubrum ejinorense . Organismen isolerades först från sjön Ejinor i Inre Mongoliet , Kina .

Archaerhodopsin-TP009 (AR-TP009 eller ArchT)

AR-TP009 uttrycks av Halorubrum sp. TP009 . Dess förmåga att fungera som en neural ljuddämpare har undersökts i mus kortikala pyramidala neuroner .

Allmänna funktioner

Förekomst

Archaerhodopsin ytmodell.

Liksom andra medlemmar av den mikrobiella rhodopsin -familjen uttrycks arkaerhodopsiner i specialiserade, proteinrika domäner av cellytmembranet, vanligtvis kallat claret-membranet. Förutom eterlipider innehåller claretmembranet bakterioruberin (ett 50-kols karotenoidpigment ) som tros skydda mot fotoblekning. Atomkraftmikroskopbilder av klarettmembranen hos flera arkaerhodopsiner visar att proteinerna är trimera och är ordnade i ett hexagonalt gitter . Bacterioruberin har också varit inblandat i oligomerisering och kan underlätta protein-protein-interaktioner i det naturliga membranet.

Fungera

Archaerhodopsiner är aktiva transportörer som använder energin från solljus för att pumpa H ⁺ -joner ut ur cellen för att generera en protondrivkraft som används för ATP- syntes. Avlägsnande av den retinala kofaktorn (t.ex. genom behandling med hydroxylamin ) upphäver transportörfunktionen och förändrar dramatiskt proteinernas absorptionsspektra. Protonpumpningsförmågan hos AR3 har visats i rekombinanta E. coli- celler och hos AR4 i liposomer .

I vilo- eller grundtillståndet för arkaerhodopsin är den bundna näthinnan i alltransform, men vid absorption av en foton av ljus, isomeriserar den till 13- cis . Proteinet som omger kromoforen reagerar på formförändringen och genomgår en ordnad sekvens av konformationsförändringar, som gemensamt kallas fotocykeln. Dessa förändringar förändrar polariteten i den lokala miljön som omger titrerbara aminosyrasidokedjor inuti proteinet, vilket gör att H ⁺ kan pumpas från cytoplasman till den extracellulära sidan av membranet. Fotocykelns mellantillstånd kan identifieras genom deras absorptionsmaxima .

Strukturer

Mark- eller vilotillståndsstruktur för Archaerhodopsin-3 PDB:6S6C.

Kristallstrukturer av vilo- eller grundtillstånden AR1 (3,4 Å upplösning), AR2 (1,8 Å upplösning) och AR3 (1,07 och 1,3 Å) har deponerats i proteindatabanken . Proteiner har sju transmembrana α-helixar och ett tvåsträngat extracellulärt vänt β-ark . Retinal är kovalent bunden via Schiff-bas till en lysinrest på helix G. Den konserverade DLLxDGR-sekvensen, nära den extracellulära N-terminalen av båda proteinerna, bildar en hårt krökt omega-loop som har varit inblandad i bakterioruberinbindning. Klyvningen av de första 6 aminosyrorna och omvandlingen av Gln7 till en pyroglutamatrest (PCA) observerades också i AR3, som tidigare rapporterats för bakteriorodopsin.

Använd i forskning

Archaerhodopsiner driver hyperpolariseringen av cellmembranet genom att utsöndra protoner i närvaro av ljus, och därigenom hämmar aktionspotentialavfyrning av neuroner. Denna process är associerad med en ökning av extracellulärt H+ (dvs. sänkt pH kopplat till aktiviteten hos dessa proteiner. Dessa egenskaper gör att Archaerhodopsiner är vanliga verktyg för optogenetiska studier eftersom de beter sig som transmissionshämmande faktorer i närvaro av ljus. När de uttrycks inom intracellulära membran ökar protonpumpens aktivitet det cytosoliska pH-värdet , denna funktion kan användas för optogenetisk försurning av lysosomer och synaptiska vesiklar när den riktas mot dessa organeller .