정보

로돕신 - 생물학

로돕신 - 생물학



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

로돕신

G 단백질 결합 수용체, 파트 B

메건 그래그, 폴 S.-H. 박, 세포생물학 방법론, 2019

추상적 인

로돕신은 망막의 간상체 광수용기 세포에서 광수용체로서 광변환 및 간상체 광수용체 세포 건강에 중요한 역할을 합니다. 로돕신 돌연변이는 망막 퇴행성 질환인 상염색체 우성 색소성 망막염의 주요 원인으로 알려져 있습니다. 대부분의 로돕신 돌연변이는 아포단백질 옵신의 접힘 및 응집을 유발합니다. 잘못 접힌 로돕신 돌연변이에 의해 형성된 응집체의 특성과 관련 세포 독성은 잘 알려져 있지 않습니다. 미스폴딩 로돕신 돌연변이체는 생화학적으로 특성화되어 있으며 부분적 또는 완전한 미스폴딩 돌연변이체로 분류된다. 이 분류는 불완전하며 로돕신 응집, 질병 발병기전을 완전히 이해하고 치료 전략을 평가하기에 충분한 정보를 제공하지 않습니다. 잘못 접힌 로돕신 돌연변이의 응집을 더 잘 이해하기 위해 Förster 공명 에너지 전달 분석이 개발되어 살아있는 세포에서 발현되는 형광 태그 돌연변이 로돕신의 응집을 모니터링합니다.


표백 및 재활용

구조적으로, 로돕신은 발색단백(크로모 "색"을 의미하는 그리스어에서 파생 된 어근입니다). 옵신(무색의 단백질)과 11-시스-망막(11-시스-레틴알데히드), 비타민 A에서 파생된 색소 분자. 눈이 빛에 노출되면 11-시스-로돕신의 망막 성분이 모두로 전환됨-트랜스- 레티날, 로돕신 분자의 배열에 근본적인 변화를 가져온다. 구성의 변화는 막대 내에서 광변환 캐스케이드를 시작하여 빛이 전기 신호로 변환된 다음 시신경을 따라 뇌의 시각 피질로 전달됩니다. 구성의 변화는 또한 옵신이 레티날에서 해리되어 표백을 초래합니다. 표백은 간상체가 자극되는 정도를 제한하여 밝은 빛에 대한 감수성을 감소시키고 원추 세포(망막에 있는 다른 유형의 광수용체)가 밝은 환경에서 시력을 매개하도록 합니다.

모두-트랜스-표백 중에 방출된 망막은 저장되거나 다시 11로 변경됨-시스-망막과 간상체로 다시 운반됨. 재활용으로 알려진 후자의 과정은 로돕신의 재생을 허용합니다. 로돕신 재생은 어둠 속에서 일어나며 암순응의 핵심입니다. 밝은 조명 환경에서 표백으로 고갈된 로돕신 수치가 점차 증가하여 간상세포가 희미한 빛에 점점 더 민감해집니다.


연구원들은 '역전된' 로돕신의 구조를 해결합니다.

왼쪽: 세포막에서 헬리오로돕신 48C12의 이량체(회색 디스크로 표시). 오른쪽: 고해상도 전자 밀도 지도는 헬리오로돕신 48C12의 활성 부위에 아세테이트 음이온의 존재를 보여줍니다. 크레딧: K. Kovalev 외. 알.

모스크바 물리학 및 기술 연구소의 연구원들은 스페인, 프랑스 및 독일 동료들과 함께 최근에 발견된 헬리오로돕신 계열의 단백질의 고해상도 구조를 결정하고 분석했습니다. 미생물 로돕신은 빛을 사용하여 살아있는 조직의 신경 및 근육 세포를 제어하는 ​​기술인 광유전학에서 핵심적인 역할을 합니다. 연구 결과는 PNAS.

2005년에 개발된 기술인 광유전학은 특수 감광성 단백질인 로돕신을 뉴런의 막에 도입하는 것을 포함합니다. 파킨슨병, 우울증, 불안 및 간질 치료를 위한 새로운 가능성을 제시합니다.

로돕신: 광유전학의 핵심 도구

광유전학을 가능하게 만든 것은 채널로돕신(channelrhodopsins)으로 알려진 단백질 하위 패밀리의 발견이었습니다. 로돕신은 레티날이라는 화합물을 사용하여 포착하는 빛에 의해 활성화됩니다. 그 속성은 로돕신을 동물의 시력에 중요하게 만듭니다.

20세기에는 할로박테리아의 게놈에서 발견되는 고세균 로돕신만이 알려져 있었습니다. 그러나 게놈 및 메타게놈 연구는 이후 박테리아, 고세균, 진핵생물의 세 영역과 거대 바이러스에 걸쳐 10,000개 이상의 로돕신 유전자를 발견하게 했습니다. 무엇보다도 이 단백질은 바다에서 포착되는 대부분의 태양 에너지를 담당합니다.

로돕신의 다양성, 생물학적 중요성 및 응용 가능성은 로돕신의 구조에 대한 연구를 촉발했습니다. 이것은 차례로 행동 및 기능의 메커니즘에 대한 통찰력을 제공합니다. MIPT의 노화 및 노화 관련 질병의 분자 메커니즘 연구 센터의 과학자들은 이 분야에 정기적으로 기여하고 있습니다. 예를 들어 작년에 그들은 KR2 단백질의 구조와 거대 바이러스의 로돕신 구조를 결정했습니다.

"역전된" 단백질 구조 조사

로돕신 사이의 구조와 기능의 많은 차이에도 불구하고 막에서의 방향은 일반적으로 동일하며 소위 N 말단이 세포 외부에 위치합니다. N-말단은 아미노기를 운반하는 단백질의 말단을 말하며, 다른 말단은 카르복실기를 운반하는 C-말단입니다.

그러나 최근에 발견된 헬리오로돕신 계열에서는 그 반대입니다. N-말단이 세포질, 즉 세포 내부를 향하고 있습니다.

MIPT 연구원들은 헬리오로돕신, 즉 48C12 단백질(그림 1)의 구조를 최초로 해결한 사람들 중 하나로 알려진 다른 로돕신과의 주요 차이점을 보여줍니다. 최근 논문에서 연구팀은 헬리오로돕신의 가능한 기능도 제시하고 있다.

연구의 첫 번째 저자이자 MIPT 박사 과정 학생인 Kirill Kovalev는 "Heliorhodopsin은 특이한 단백질입니다. 우리가 얻은 고해상도 구조는 고유한 전체 구조와 내부 구성의 세부 사항 및 주요 아미노 간의 상호 작용을 모두 보여줍니다. 산성 잔류물."

그들의 연구에서 연구자들은 두 가지 상태에서 48C12 단백질의 구조를 분석하고 다른 미생물 로돕신의 구조와 비교했습니다. 팀은 물 분자 클러스터를 수용하는 단백질의 세포질 부분 내부에 큰 공동이 있음을 보여주었습니다. 얻은 단백질 상태 중 하나에서 아세테이트 분자가 공동에서 감지되었습니다. 이것은 공동이 질산염이나 탄산염과 같은 기질의 결합이 일어나는 단백질의 활성 부위로 작용할 수 있음을 의미합니다.

헬리오로돕신의 정확한 기능과 생물학적 역할은 아직 알려지지 않았지만 저자들은 가설을 제시했습니다. "단백질의 특이한 구조와 특성은 우리로 하여금 헬리오로돕신의 효소적 기능을 제안하도록 합니다. 우리의 연구는 또한 별개의 기능을 가진 단백질 그룹이 가족 내에서 식별될 수 있음을 보여주었습니다."라고 MIPT 연구 센터의 과학 코디네이터인 Valentin Gordeliy가 설명했습니다. 노화 및 노화 관련 질병의 분자 메커니즘.

따라서 헬리오로돕신 48C12 구조의 발견으로 생물학자들은 다른 미생물 로돕신과의 근본적인 차이점을 입증할 수 있게 되어 헬리오로돕신에 대한 추가 연구의 새로운 가능성을 열었습니다.


빛에 민감한 GPCR로서의 점핑 스파이더 로돕신-1의 결정 구조

빛에 민감한 G 단백질 결합 수용체(GPCR)-로돕신은 광자를 흡수하여 공유 결합된 망막을 이성질화하여 구조적 변화를 유발하여 다운스트림 신호 전달 캐스케이드를 유발합니다. 두 번째 광자의 흡수 시 "재이성화"되는 쌍안정 로돕신의 레티날과 대조적으로 단안정 로돕신은 이성질화 시 레티날을 방출합니다. 이러한 감광성 GPCR 간의 기계적 차이점을 이해하는 것은 후자의 재조합 모델이 부족하여 방해를 받았습니다. 여기에서, 우리는 역작용제 9-에 결합된 재조합 쌍안정 로돕신, 점프 스파이더 로돕신-1의 고해상도 결정 구조를 공개합니다.시스 망막. 우리는 그들의 쌍안정 성질의 기초를 암시하는 리간드 주변의 물 매개 네트워크를 관찰합니다. 소의 로돕신(단안정)과 달리, 점핑거미 로돕신-1의 막관통 다발과 쌍안정 오징어 로돕신의 다발은 다른 비감광성 클래스 A GPCR에서 종종 관찰되는 보다 "활성화 준비된" 형태를 채택합니다. 이러한 유사성은 감광성 및 비감광성 클래스 A GPCR의 구조-기능 관계 연구에서 잠재적인 모델 시스템으로서 점프 스파이더 로돕신-1의 역할을 제안합니다.

키워드: G 단백질 결합 수용체 X선 결정학 쌍성 망막 로돕신.


소개

미생물 로돕신은 박테리아, 고세균, 단세포 진핵생물, 거대 바이러스 1,2에 널리 분포되어 있는 광수용성 막 단백질입니다. 그것들은 일곱 번째 나선의 보존된 라이신 잔기에 결합된 망막 발색단과 함께 7개의 막횡단(TM) α 나선으로 구성됩니다(그림 1a). 최초의 미생물 로돕신인 박테리오로돕신(BR)은 호염성 고세균의 원형질막에서 발견되었습니다. 할로박테리움 살리나룸 (이전에는 H. 할로븀) 삼 . BR은 보라색 막이라고 하는 원형질막에 보라색 패치를 형성하며, 이 패치는 햇빛 에너지 4를 사용하여 H+를 외부로 수송합니다. BR의 발견 이후 다양한 미생물에서 다양한 종류의 미생물 로돕신이 보고되었으며, 최근 게놈 시퀀싱 기술의 발전으로 수천 개의 미생물 로돕신 유전자가 밝혀졌습니다1,5,6,7. 이러한 미생물 로돕신은 빛을 흡수하면 다양한 형태의 생물학적 기능을 나타내어트랜스-to-13-시스 망막 이성질체화. 그 중 광 구동 이온 펌프 및 광 개폐 이온 채널을 포함한 이온 수송기가 가장 보편적입니다(그림 1b). 이온 수송 로돕신은 H + , Na + , K + , 할로겐화물(Cl – , Br – , I – ), NO를 포함한 여러 유형의 양이온과 음이온을 전달할 수 있습니다.3 – , 그리고 SO4 2, 8,9,10 . 이온 수송 로돕신의 분자 메커니즘은 수많은 생물 물리학, 구조 및 이론 연구 1,2에 자세히 설명되어 있습니다.

NS 미생물 로돕신의 도식적 구조. NS 미생물 로돕신의 계통수. 이 연구에서 대상으로 하는 광 구동 이온 펌프 로돕신의 하위 패밀리는 다른 색상의 비 이온 펌프 미생물 로돕신이며 진핵 및 거대 바이러스 기원의 이온 펌핑 미생물 로돕신은 회색으로 표시됩니다.

최근 몇 년 동안 많은 이온 수송 로돕신이 이종 발현에 의해 생체 내에서 동물 뉴런의 활성을 광학적으로 제어하기 위한 광유전학의 분자 도구로 사용되어 왔으며, 광유전학은 기억, 운동 및 감정적 행동 12,13,14,15 . 그러나 생물학적 조직에 의한 강한 빛 산란과 더 짧은 파장의 빛의 세포 독성으로 인해 정확한 광학 제어가 어렵습니다. 이러한 어려움을 피하기 위해 약한 산란과 낮은 독성의 장파장 빛으로 제어할 수 있는 적색 편이 로돕신을 기반으로 하는 새로운 분자 광유전학 도구가 시급히 필요합니다. 따라서 유전자 스크리닝, 생물물리학적 및 구조적 통찰력을 기반으로 하는 아미노산 돌연변이, 망막 유사체 16,17,18의 도입을 포함하여 적색 이동 로돕신을 얻기 위한 많은 접근 방식이 보고되었습니다. 이러한 실험 연구에서 얻은 통찰력과 추가 이론 및 계산 연구 19,20,21,22는 흡수 최대 파장을 조절하는 기본 물리적 원리를 밝혔습니다.λ최대) 로돕신(스펙트럼 또는 색상 조정 규칙이라고도 함)에서 주변 잔기와의 입체적 상호작용, 양성자화된 망막 쉬프 염기와 반대이온 사이의 정전기적 상호작용, 망막 결합 포켓 플레이의 분극성에 의해 유발된 망막 폴리엔 사슬의 왜곡 필수적인 역할 23 . NS λ최대 이러한 물리화학적 통찰력을 기반으로 하는 이온 수송 기능을 손상시키지 않고 여러 로돕신이 20-40 nm만큼 적색 이동될 수 있습니다 17,24,25 . 이것들은 지식 기반 실험 접근법의 성공적인 예입니다. 최근에는 키메라 로돕신 벡터와 기능적 분석을 이용한 새로운 방법이 보고되었다. λ최대 및 특정 환경 26에 존재하는 여러 미생물 로돕신의 양성자 수송 활동. 이 방법은 해양 환경에서 가장 풍부한 외부 H + 펌핑 박테리아 로돕신 서브패밀리인 적색 이동 황색(560–570 nm) 흡수 프로테오로돕신(PR)의 부분 서열을 확인했습니다. 이 작품은 몇 가지 적색 이동 로돕신 15,16,18,27을 확인했습니다. 특히, 가장 성공적인 광유전학 도구는 각각 590 및 610nm 빛을 흡수하여 신경 발화를 유도 및 억제할 수 있는 Chrimson 27,28 및 RubyACR 29와 같은 적색 편이 채널 로돕신입니다. 구조적 통찰에 근거한 합리적인 아미노산 돌연변이는 더욱 적색편이 λ최대 Chrimson의 608 nm 27 . 차세대 염기서열 분석 기술의 발전은 더 긴 파장 이동 흡수를 갖는 단백질을 포함하여 많은 수의 새로운 로돕신 유전자를 계속해서 더 빠르게 식별할 것으로 예상됩니다. 그러나 실험적 또는 이론적 방법으로 이들 모두를 스크리닝하려면 비용이 많이 듭니다. 따라서 적색편이 로돕신을 스크리닝하기 위한 보다 저렴하고 효율적인 접근이 필요하며, 저비용으로 로돕신의 색상 조정 규칙을 조사하기 위한 접근 방식의 세 번째 클래스로 데이터 기반 연구가 기대됩니다.

추정하려면 λ최대 로돕신의 경우 최근에 데이터 기반 접근 방식을 도입했습니다 30 . 이 이전 연구에서 우리는 7개의 TM 나선의 각 위치에서 아미노산 유형과 로돕신의 흡수 파장 사이의 통계적 관계를 조사했습니다. 우리는 796개의 야생형(WT) 로돕신과 그 변이체를 포함하는 데이터베이스를 구축했습니다. λ최대 그 중 이전 연구에서보고되었습니다. 그런 다음 우리는 데이터 분할 접근 방식으로 관계의 강도를 평가했습니다. 즉, 데이터 세트를 훈련 세트로 나누고 테스트 세트를 사용하여 예측 모델을 구성하고 후자를 예측 모델을 추정하는 데 사용했습니다. 능력. 이 "개념 증명" 연구 결과는 λ최대 미지의 로돕신 계열은 ±7.8 nm의 평균 오차로 예측할 수 있으며, 이는 의 평균 절대 오차와 비슷합니다. λ최대 하이브리드 양자 역학/분자 역학(QM/MM) 21 방법에 의해 추정됩니다. 두 접근 방식의 계산 비용을 고려할 때 데이터 기반 접근 방식은 QM/MM 접근 방식보다 훨씬 더 효율적인 것으로 밝혀졌으며 후자는 물리적 출처 제어에 대한 통찰력을 제공합니다. λ최대.

이 결과에 고무되어 이 연구에서는 데이터 기반 지원으로 적색 편이 이득을 가질 가능성이 있는 로돕신 후보를 보다 효율적으로 스크리닝할 수 있는 기계 학습(ML) 기반 실험 설계 방법을 도입했습니다. 무작위 또는 지식 기반 선별. 이 목적을 위해 우리는 공개 유전자 데이터베이스(NCBI 비중복 단백질 서열, 메타게놈 단백질 31 및 타라 해양 미생물군집 및 바이롬 데이터베이스 32) 및 이에 대한 λ최대 새로운 적색 이동 로돕신을 탐구하기 위해 아직 실험적으로 조사되지 않았습니다. 본 연구의 목표는 다음과 같은 로돕신을 확인하는 것이었습니다. λ최대 미생물 로돕신의 각 아과에서 대표 로돕신의 파장보다 길다. λ최대 이미 보고되었습니다(기본 파장). 여기서 기본 파장에서 파장의 적색 편이 정도를 "적색 편이 이득"이라고 합니다. 우리는 적색 이동 흡수 파장에서 중요한 역할을 하는 아미노산 유형 및 잔기 위치의 식별로 이어질 것이기 때문에 적색 이동 이득이 큰 로돕신에 초점을 맞춥니다. 또한, 광유전학 응용 분야에서 적색 편이 흡수 및 수송될 수 있는 다양한 유형의 이온 종을 갖는 로돕신 도구 상자의 새로운 기반을 구축하기 위해 각 서브패밀리에서 다양한 이온 펌핑 로돕신을 갖는 것이 실질적으로 중요합니다. 우리는 예상되는 적색편이 이득을 적절하게 예측할 수 있도록 ML 기반 실험 설계 방법을 구성하고 이 새로운 방법을 대장균 (그림 1b).

합성된 로돕신 유전자를 체내에 도입하여 실험을 수행하였다. 대장균 ML 기반 실험 설계 방법에서 예상 이득이 >10 nm인 것으로 예측한 65개 후보의 흡수 파장을 측정했습니다. 이 65명의 선택된 후보자 중 39명은 상당한 착색을 보였습니다. 대장균 셀에서 32개는 실제 적색 편이 이득을, 6개는 청색 이동을, 1개는 변화가 없음을 나타냈습니다. 즉, 선택된 후보의 82%(=32/39, 7.025 × 10 -5 )가 실제 적색 편이 이득을 나타냈습니다. 그런 다음 우리는 적색 편이 이득이 >20 nm인 로돕신의 이온 수송 특성을 조사했으며 일부는 실제로 바람직한 이온 수송 특성을 가지고 있음을 발견했으며, 이는 이들(및 그 변이체)이 잠재적으로 새로운 광유전학 도구로 사용될 수 있음을 시사합니다. . 또한, 새로 조사된 로돕신과 동일한 서브패밀리의 대표적인 아미노산 서열의 차이는 적색 이동 메커니즘의 추가 조사에 사용될 수 있습니다. 이 결과는 철저한 생물학적 실험 없이도 원하는 특성을 가진 로돕신을 찾을 수 있어야 함을 시사하며, 데이터 기반 ML 기반 접근 방식이 로돕신의 실험 설계 및 기타 광생물학적 연구에서 효과적인 역할을 해야 함을 시사합니다.


내용물

로돕신 원래 개구리 및 기타 척추동물의 망막에서 발견되는 시각 색소(빛에 민감한 분자)인 "시각적 보라색"의 동의어였으며, 희미한 시각에 사용되며 일반적으로 간상 세포에서 발견됩니다. 이것은 여전히 ​​좁은 의미에서 로돕신의 의미이며, 이 단백질과 진화적으로 상동성인 모든 단백질입니다. 광범위한 비유전적 의미에서 로돕신은 유전적 혈통과 관련이 있든 없든(대부분 그렇지 않음) 옵신과 발색단(일반적으로 레티날의 변종)으로 구성된 모든 분자를 의미합니다. 모든 동물 로돕신은 초기 동물의 식물, 균류, 융모편모충류 및 해면체가 분화된 후에 발생한 대형 G-단백질 결합 수용체(GPCR) 유전자 패밀리의 역사 후반에 (유전자 복제 및 분기에 의해) 발생했습니다. 망막 발색단은 이 큰 유전자 패밀리의 옵신 가지에서만 발견되며, 이는 다른 곳에서 발생하는 것이 상동성이 아니라 수렴 진화를 나타냄을 의미합니다. 미생물 로돕신은 순서에 따라 GPCR 계열과 매우 다릅니다. [6]

용어 세균성 로돕신 원래는 오늘날 박테리오로돕신으로 알려진 최초의 미생물 로돕신으로 언급되었습니다. 최초의 박테리오로돕신은 고대 기원으로 밝혀졌습니다. 할로박테리움 살리나룸. [7] 그 이후로 다른 미생물 로돕신이 발견되어 이 용어를 세균성 로돕신 모호한. [8] [9]

다음은 잘 알려진 미생물 로돕신과 그 특성의 목록입니다.

기능 이름 약어 참조
양성자 펌프(H+) 박테리오로돕신 BR [10]
양성자 펌프(H+) 프로테오로돕신 홍보 [10]
양성자 펌프(H+) 아르카에로돕신 아치 [11]
양성자 펌프(H+) 크산토르로돕신 xR [12]
양성자 펌프(H+) 글로에오박터 로돕신 GR [13]
양이온 채널(+) 채널로돕신 채널 [14]
양이온 펌프(Na+) 크로키노박터 에이카스투스 로돕신 2 KR2 [15]
음이온 펌프(Cl-) 할로로돕신 인사 [10]
광센서 감각 로돕신 I SR-I [10]
광센서 감각 로돕신 II SR-II [10]
광센서 뉴로스포라 옵신 I NOP-I [14] [16]
빛 활성화 효소 로돕신 구아닐릴 사이클라제 RhGC [17]

NS 이온 이동 미생물 로돕신(MR) 제품군 (TC# 3.E.1)은 2차 캐리어의 TOG 수퍼패밀리의 구성원입니다. MR 제품군의 구성원은 미생물 세포질 막을 가로질러 광 구동 이온 전위를 촉매하거나 광 수용체 역할을 합니다. MR 패밀리의 대부분의 단백질은 모두 거의 같은 크기(250-350개의 아미노 아실 잔기)이며 외부에 N-말단이 있고 내부에 C-말단이 있는 7개의 막횡단 나선 스패너를 가지고 있습니다. MR 패밀리에는 9개의 하위 패밀리가 있습니다. [18]

    세포 밖으로 양성자를 펌핑 염화물(및 브롬화물, 요오드화물 및 질산염과 같은 기타 음이온)을 세포로 펌핑
  1. 일반적으로 광전성 행동에 대한 수용체로 기능하는 감각 로돕신은 변환기 단백질에서 해리되면 세포 밖으로 양성자를 펌핑할 수 있습니다.
  2. 곰팡이 샤파론은 생화학적 기능이 불분명한 스트레스 유발 단백질이지만 이 아과에는 H + -펌핑 로돕신도 포함됩니다[19]
  3. Proteorhodopsin이라고 하는 세균성 로돕신은 박테리오로돕신과 같은 기능을 하는 광 구동 양성자 펌프입니다.
  4. NS 뉴로스포라 크라사 망막 함유 수용체는 광수용체 역할을 합니다(Neurospora ospin I) [20]
  5. 녹조류 광개폐 양성자 채널, Channelrhodopsin-1
  6. 남세균의 감각 로돕신.
  7. 광 활성화 로돕신/구아닐릴 사이클라제

미생물 로돕신의 계통발생학적 분석과 수평적 유전자 전달의 잠재적인 예에 ​​대한 자세한 분석이 발표되었습니다. [21]

구조 편집

MR 패밀리의 구성원을 위한 고해상도 구조 중에는 고세균 단백질, 박테리오로돕신, [22] 아르카에로돕신, [23] 감각 로돕신 II, [24] 할로로돕신, [25] 아나바에나 시아노박테리아 감각 로돕신(TC# 3.E.1.1.6) [26] 및 기타.

기능 편집

감각 로돕신과 트랜스듀서 단백질의 연관성은 그들이 수송체 또는 수용체로 기능하는지 여부를 결정하는 것으로 보입니다. 감각 로돕신 수용체와 변환기의 결합은 상호 작용하는 두 단백질의 막횡단 나선 도메인을 통해 발생합니다. 하나의 호염성 고세균에는 두 가지 감각 로돕신이 있습니다. 하나는 주황색 빛에는 긍정적으로 반응하지만 청색광에는 부정적으로 반응하는 SRI와 청색광에만 부정적으로 반응하는 다른 하나(SRII)입니다. 각 변환기는 동족 수용체에 따라 다릅니다. 1.94 Å 분해능에서 변환기(HtrII)와 복합된 SRII의 x-선 구조를 사용할 수 있습니다( 1H2S ). 미생물 감각 수용체에 의한 빛 신호 전달의 분자 및 진화적 측면이 검토되었습니다. [28]

상동체에는 추정되는 곰팡이 샤페론 단백질, 레티날 함유 로돕신이 포함됩니다. 뉴로스포라 크라사, [29] a H + - 로돕신 펌핑 렙토스파에리아 마쿨란스, [19] 해양 박테리아로부터 분리된 망막 함유 양성자 펌프, [30] 이온을 펌핑하지 않고 작은 (14 kDa) 가용성 변환기 단백질 [26] [31] 및 빛과 상호 작용하는 시아노박테리아의 녹색광 활성화 광수용체 -녹조류의 게이트 H + 채널, 클라미도모나스 레인하르티. [32] N. 크라사 NOP-1 단백질은 이 추정 광수용체가 느린 H + 펌프임을 시사하는 광주기 및 보존된 H + 전위 잔기를 나타냅니다. [19] [33] [34]

효모와 균류에 있는 대부분의 MR 계열 상동체는 고세균 단백질(283-344개 아미노 아실 잔기 7 추정 트랜스멤브레인 α-나선 세그먼트)과 크기 및 토폴로지가 거의 동일하지만 열 충격 및 독성 용매 유도 단백질입니다. 알려지지 않은 생화학적 기능. 그들은 세포 외 단백질을 접는 pmf 구동 샤페론으로 기능하는 것으로 제안되었지만 간접적인 증거만이 이 가정을 뒷받침합니다. [20] MR 계열은 7 TMS LCT 계열(TC# 2.A.43)과 먼 관련이 있습니다. [20] MR 계열의 대표적인 구성원은 Transporter Classification Database에서 찾을 수 있습니다.

박테리어호돕신

Bacteriorhodopsin은 흡수된 광자당 하나의 H + 이온을 세포질에서 세포외 배지로 펌핑합니다. 특정 수송 메커니즘과 경로가 제안되었습니다. [25] [35] [36] 메커니즘에는 다음이 포함됩니다.

  1. 망막의 광 이성질체화 및 초기 구성 변화,
  2. 망막 쉬프 염기의 탈양성자화 및 세포외막 표면에 대한 양성자의 결합 방출,
  3. 세포질 측에서 Schiff 염기의 재양성자화를 허용하는 스위치 이벤트.

6개의 구조 모델은 망막의 변형과 물 402, Asp85 및 Asp212와의 상호 작용을 원자 세부 사항으로 설명할 뿐만 아니라 Schiff 염기에서 더 멀리 떨어진 기능적 잔기의 변위를 설명합니다. 이러한 변화는 왜곡된 망막의 이완이 어떻게 물과 단백질 원자의 움직임을 유발하여 Schiff 염기로/로부터 벡터 양성자 이동을 유발하는지에 대한 근거를 제공합니다. 나선 변형은 박테리오로돕신의 광주기에서 벡터 양성자 수송과 결합된다. [37]

삼량체화에 참여하는 대부분의 잔기는 박테리오루베린이 없을 때 삼량체 구조를 형성할 수 있는 상동 단백질인 박테리오로돕신에 보존되지 않습니다. 아미노산 서열의 큰 변화에도 불구하고, 지질로 채워진 삼량체 내 소수성 공간의 형태는 아르카에로돕신-2와 박테리오로돕신 사이에서 고도로 보존되어 있다. 이 공간을 향한 막횡단 나선은 양성자 펌핑 주기 동안 큰 구조적 변화를 겪기 때문에 삼량체화는 단백질 활성과 관련된 특수 지질 성분을 포착하는 중요한 전략일 수 있습니다. [38]

아르케에로돕신

Archaehodopsin은 빛에 의해 구동되는 H + 이온 수송체입니다. 그것들은 발현되는 claret 막이 광표백을 방지하는 것으로 생각되는 두 번째 발색단인 박테리오루베린을 포함한다는 점에서 박테리오로돕신과 다릅니다. Bacteriorhodopsin은 또한 여러 archaerhodopsin 구조의 N-말단에서 관찰된 오메가 루프 구조가 결여되어 있습니다.

아르케에로돕신-2(AR2)는 의 claret 막에서 발견됩니다. 할로루브룸 종. 광구동 양성자 펌프입니다. 삼각 및 육각형 결정은 삼량체가 벌집 격자에 배열되어 있음을 보여줍니다. 이들 결정에서 박테리오루베린은 삼량체의 소단위체 사이의 틈새에 결합한다. 두 번째 발색단의 폴리엔 사슬은 막 법선에서 약 20도 각도로 기울어져 있으며 세포질 쪽에서는 이웃하는 소단위의 나선 AB와 DE로 둘러싸여 있습니다. 이 독특한 결합 방식은 박테리오루베린이 AR2의 삼량체화에 구조적 역할을 한다는 것을 시사한다. 박테리오루베린을 함유하지 않는 다른 결정 형태의 aR2 구조와 비교할 때, 양성자 방출 채널은 P321 또는 P6(3) 결정에서 더 폐쇄된 형태를 취합니다. 즉, 단백질의 고유 형태는 삼량체 단백질-박테리오루베린 복합체에서 안정화됩니다.

Archaerhodopsin-3(AR3)의 돌연변이체는 신경과학 연구를 위한 광유전학의 도구로 널리 사용됩니다. [39]

채널로돕신

채널로돕신-1(ChR1) 또는 채널롭신-1(Chop1 Cop3 CSOA) C. 레인하르트티 고풍 감각 로돕신과 밀접한 관련이 있습니다. 신호 펩타이드가 있는 712개의 aas, 짧은 양친매성 영역, 7개의 가능한 TMS(잔기 76-309)가 있는 소수성 N-말단 도메인, 약 400개 잔기의 긴 친수성 C-말단 도메인이 있습니다. C-말단 친수성 도메인의 일부는 동물(AAD30271)의 인터섹틴(EH 및 SH3 도메인 단백질 1A)과 상동합니다.

Chop1은 빛 개폐 양성자 채널 역할을 하며 녹조류에서 광주성과 광공포성 반응을 매개합니다. [32] 이 표현형에 기초하여 Chop1은 TC 카테고리 #1.A에 할당될 수 있지만 잘 특성화된 상동체가 활성 이온 수송을 촉매하는 패밀리에 속하기 때문에 MR 패밀리에 할당됩니다. 표현 찹1 전-트랜스 레티날이 있는 상태에서 개구리 난모세포에서 소수성 코어(잔기 1-346 또는 1-517)만을 인코딩하는 유전자 또는 잘린 형태의 유전자는 수동적이지만 선택적으로 채널의 특성을 나타내는 광 개폐 전도도를 생성합니다. 양성자 투과성. 이 채널 활동은 아마도 생체 전류를 생성합니다. [32]

ChR1의 상동체 C. 레인하르트티 채널로돕신-2(ChR2 Chop2 Cop4 CSOB)입니다. 이 단백질은 ChR1과 57% 동일하고 10% 유사합니다. 광 흡수에 의해 활성화된 양이온 선택적 이온 채널을 형성합니다. 그것은 1가 및 2가 양이온을 모두 수송합니다. 연속광에서 작은 컨덕턴스에 둔감합니다. 탈감작으로부터의 회복은 세포외 H + 및 음의 막 전위에 의해 가속화됩니다. 그것은 어두운 적응 세포를 위한 광수용체일 수 있습니다. [40] 양이온 투과가 시작되면서 t(1/2) = 60μs인 막횡단 α-나선 수화의 일시적인 증가. Aspartate 253은 Schiff 염기(t(1/2) = 10μs)에 의해 방출된 양성자를 받아들이고 후자는 aspartic acid 156(t(1/2) = 2ms)에 의해 재양성자화됩니다. 박테리오로돕신의 D212 및 D115에 해당하는 내부 양성자 수용체 및 공여자 그룹은 다른 미생물 로돕신과 분명히 다르며, 이는 단백질의 공간적 위치가 진화 중에 재배치되었음을 나타냅니다. E90은 비전도성 상태에서만 양성자를 제거합니다. 관찰된 양성자 전달 반응과 단백질 형태 변화는 양이온 채널의 게이팅과 관련이 있습니다. [41]

할로로돕신

Bacteriorhodopsin은 흡수된 광자당 하나의 Cl - 이온을 세포외 배지에서 세포질로 펌핑합니다. 이온은 반대 방향으로 이동하지만 생성된 전류(양전하의 이동으로 정의됨)는 박테리오로돕신 및 아르카에로돕신의 경우와 동일합니다.

해양 박테리아 로돕신

해양 박테리아 로돕신은 양성자 펌프로 기능하는 것으로 보고되었습니다. 그러나 그것은 또한 고세균의 감각 로돕신 II와 곰팡이의 오르프와 유사합니다. 렙토스파에리아 마쿨란스 (AF290180). 이들 단백질은 서로 20-30% 동일성을 나타냅니다.

세균 및 감각 로돕신의 일반화된 수송 반응은 다음과 같습니다. [18]


결과

박테리오루베린 합성에 필요한 H. volcanii 잿물 상동체.

도 2 H. volcanii lye 유전자는 박테리오루베린 합성에 필요하다. H. volcanii Δ의 카로티노이드 추출물의 RP-UHPLC 추적잿물, H. volcanii H1209(모 균주), 및 잿물 H. volcanii , H. salinarum , H. vallismortis 에서 유래. 박테리오루베린과 리코펜의 위치(라이크) 기준이 명시되어 있습니다. 흔적은 총 카로티노이드 농도에 대해 정규화되었고 내부 표준을 사용하여 머무름 시간의 약간의 차이에 대해 수정되었으며 명확성을 위해 수직 축을 따라 오프셋되었습니다. 흔적은 각 균주에 대해 최소 3번의 복제를 나타냅니다.

H. salinarum Lye 활성을 억제하기에 충분한 H. volcanii에서의 BO 발현.

도 3 H. volcanii에서 BO의 발현은 H. salinarum Lye를 특이적으로 억제한다. (A) H. volcanii 또는 H. salinarum을 사용한 H. volcanii 배양물의 RP-UHPLC 분석에 의해 결정된 박테리오루베린 수준을 나타내는 상자 그림(Tukey's [43, 44]) 잿물. 균주는 표시된 바와 같이 BO 발현 벡터 또는 빈 벡터(대조군)를 보유하였다. 언급된 경우, 배양 성장 동안 레티날이 추가되었습니다. 재료 및 방법에 설명된 대로 카로티노이드 수준을 RP-UHPLC로 정량화했습니다. 굵은 가로 막대는 중앙값을 나타내고 상자는 상위 및 하위 사분위수를 구분합니다. 수염은 사분위수 범위의 1.5배 또는 가장 극단적인 값의 작은 값으로 확장되며, N ≥ 3. (B) 토종 H. volcanii 균주의 대표 식민지 사진 잿물 H. salinarum 잿물로 대체. 빈 벡터 컨트롤(왼쪽), BO 발현을 허용하는 플라스미드가 있는 균주(가운데), BO를 BR로 변환하기 위해 플레이트에 추가된 레티날로 BO 발현을 허용하는 플라스미드가 있는 균주(오른쪽). (C) 콜로니 색상 분석에 의해 결정된 박테리오루베린 수준(루베린 메트릭)을 나타내는 상자 플롯. H. volcanii 배양물은 언급된 바와 같이 레티날이 보충된 Hv-YPC 배지에 플레이팅되었습니다. Four-day-old colonies were photographed and digital images were analyzed as described in Materials and Methods. Heavy horizontal bars indicate the median values, and boxes demarcate the upper and lower quartiles. Whiskers extend to the smaller value of 1.5 times the interquartile range or the most extreme value, N ≥ 9. Asterisks indicate Bonferroni adjusted NS of <0.05. NS, not significantly different.

Developing colony color analysis to assess bacterioruberin production.

H. salinarum Lye residues 69 to 120 necessary for BO-mediated inhibition.

FIG 4 A specific region within H. salinarum Lye is necessary for BO-mediated regulation. (A) Protein alignment map of H. salinarum and H. volcanii Lye homologs and hybrids. NS NS axis represents the consensus alignment amino acid position, and the vertical lines within the protein sequences represent gaps in the alignment. Dashed lines delineate the H. salinarum Lye region required for inhibition by BO. (B) Box plot indicating bacterioruberin levels of strains expressing different versions of 잿물 in the absence or presence of BO. Images were obtained and analyzed, and data were plotted as described for Fig. 3. N ≥ 9. Asterisks indicate Bonferroni adjusted NS of <0.05. NS, not significantly different. (C) Template-based modeling of H. salinarum and H. volcanii Lye proteins. Structure predictions of H. salinarum (left) and H. volcanii (right) Lye. Structures are oriented so that the cytoplasm (in) is at the bottom and the extracellular environment (out) is at the top of the image. The regions highlighted in blue ( H. salinarum ) and cyan ( H. volcanii ) represent the identified 52-aa region required for inhibition by BO. The structural models for the two Lye homologs were generated using PHYRE2 (20) and superimposed using SuperPose (45). The structure files were highlighted and exported to image files using Geneious version 7 (46).

Ablation of BO-mediated inhibition of bacterioruberin biosynthesis requires covalent binding of retinal.

FIG 5 BO lacking covalent retinal binding inhibits Lye H. salinarum sensory opsin II does not inhibit Lye. (A) Box plot indicating bacterioruberin levels of H. volcanii strains with H. salinarum lye expressing BO, BO K216A, or SOII in the absence or presence of retinal. Images were obtained and analyzed, and data were plotted as described for Fig. 3. N ≥ 9. Asterisk indicates Bonferroni adjusted NS of <0.05. NS, not significantly different. (B) Quantification of H. salinarum BO and SOII and H. vallismortis CO expression. H. volcanii strains harboring expression plasmids for indicated opsins with C-terminal His6 tags were grown in cultures with the same procedures used for carotenoid analysis. Cell lysates were normalized using total protein concentration and separated by polyacrylamide gel electrophoresis. Blots were probed with anti-His antibody and bands were quantified by densitometry. Median values compared to BO median set to 1. Error bars indicate 1 standard deviation, N = 3. Inset, representative immunoblot of His-tagged BO, SOII, and CO.

H. salinarum sensory opsin II does not inhibit Lye.

Evidence of an opsin-Lye interaction in another organism.

FIG 6 H. vallismortis Lye is specifically inhibited by H. vallismortis CO. Box plot indicating bacterioruberin levels of H. volcanii strains with H. volcanii , H. salinarum , or H. vallismortis lye and the indicated opsin in the absence or presence of retinal. Images were obtained and analyzed, and data were plotted as described for Fig. 3. N ≥ 9. Asterisks indicate Bonferroni adjusted NS of <0.05. NS, not significantly different.

Bioorthogonal rhodopsin engineering

We have recently used bioorthogonal reactions to convert microbial rhodopsins into hybrid voltage indicators.

공유하다

링크 복사

Microbial rhodopsins are photosensitive ion channels or pumps which have been widely used as optogenetic tools, where visible light illumination triggers neural excitation or depression. In 2011, Dr. Adam E. Cohen’s group at Harvard University found that certain proton-pumping rhodopsins could be “run in reverse” – meaning that fluctuations in the cellular membrane potential could affect light absorption of these seven-span transmembrane proteins 1 . From a structural point of view, this electrochromic effect is mediated by the voltage-dependent acid-base equilibrium of a Schiff base in the retinal chromophore binding pocket. The altered proton electrochemical potential changes the absorption and emission spectra of the rhodopsin, thus creating a genetically-encoded voltage indicator (GEVI).

While rhodopsin-based GEVIs have high voltage sensitivity, a major drawback is their low fluorescence quantum yield. In spite of many efforts to improve the brightness, often through site-directed mutagenesis and screening 2 , the quantum yield of rhodopsin-based GEVIs are still approximately two orders of magnitude weaker than most synthetic fluorescent dyes. One solution to this problem is to use Förster resonance energy transfer (FRET). Voltage-induced changes in the rhodopsin absorption spectrum could modulate the quenching efficiency of an appended fluorescent reporter, in a mechanism called electrochromic FRET (eFRET). For example, rhodopsin-fluorescent protein (FP) fusions have been created to achieve voltage sensing 3, 4 . While these eFRET GEVIs have significantly improved brightness, their voltage sensitivity has been quite limited due to the low energy transfer efficiency between the bulky FP and the retinal chromophore. A back-of-the-envelope calculation suggests that the optimal FRET efficiency is

67% (assuming in the shot noise-limited regime), whereas most FP-based eFRET GEVIs have their FRET efficiencies below 20% 5 .

To improve the FRET efficiency and hence voltage sensitivity, we turned to synthetic fluorophores as the reporter, which are substantially smaller than FPs. The challenge is: how can we achieve site-specific modification of rhodopsin protein scaffold with synthetic fluorophores? Among various bioorthogonal protein labeling techniques, we chose PRIME (PRobe-Incorporation Mediated by Enzyme) strategy to construct the hybrid voltage indicator 6 . In PRIME, a bioorthogonal functional group is enzymatically conjugated to a 13-amino acid peptide (LAP peptide). Compared to FP-fusion, this strategy effectively reduces the tag size from

230 amino acid residues down to 13 residues, which greatly shortens the distance between retinal and the fluorescent reporter.

We started bioorthogonal rhodopsin engineering with screening LAP insertion sites in the extracellular region of the transmembrane protein 5 . Whereas most rhodopsins had defective membrane trafficking when LAP was inserted, one candidate, Acetabularia acetabulum rhodopsin II (Ace2), showed good tolerance to LAP insertion. We then compared the labeling efficiency of LAP inserted at various locations in Ace2 and eventually identified the first extracellular loop as the most ideal site, in terms of both high expression level and good membrane trafficking. This indicator was named as Flare1, for NSluorophore igation-NSssisted NShodopsin 이자형FRET voltage indicator. Flare1 was applied to optically map the gap junction-mediated electrical conduction in HEK293T over hundreds of micrometers, and it could detect the simulated AP with a sensitivity of -28% 5 .

Schematic illustration of LAP-inserted Ace2 rhodopsin and fluorescence images of HEK293T cells expressing these labeled rhodopsins 5 . Insets show images with enhanced contrast. BFP was a co-transfection marker. 스케일 바 = 20 μm.

However, Flare1 has several problems that prevent its application to neuronal cell culture: 1) reagents used in copper-assisted alkyne-azide cycloaddition (CuAAC) interferes with neuronal electrophysiology 2) Flare1-Cy5 has very low sensitivity (ΔF/F0 = -5.4% per 100 mV). To solve these problems, we assessed several bioorthogonal reactions for higher reaction kinetics and lower neural toxicity, including strain-promoted alkyne-azide cycloaddition (SPAAC) and inverse-electron-demand Diels-Alder (IEDDA) reactions. Our efforts identified IEDDA as the most suitable method in terms of better biocompatibility, shorter labeling time and higher signal-to-background ratio. More specifically, an engineered bacterial lipoic acid ligase (LplA) 6 was used to site-specifically conjugate a trans-cyclooctene (TCO) moiety to the LAP peptide, which then reacts with a tetrazine-conjugated fluorophore to achieve covalent linkage between the fluorophore and the rhodopsin.

We further engineered the protein scaffold to improve its expression level in neurons by screening Ace2 Asp81 mutants (the proton acceptor) and optimizing the linker between LAP and Ace2. These efforts have led to the construction of hybrid voltage indicators (HVI) that exhibited significantly higher voltage sensitivity than most FP-based eFRET GEVIs, owing to short distance and increased spectral overlap between the fluorophore donor and rhodopsin’s retinal quencher.

We created a palette of HVI indicators by conjugating different colored fluorophore-tetrazine conjugates. Among these, the most red-shifted HVI-Cy5 could faithfully report neuronal spikes in the far-red emission range. Taking advantage of its high SNR and red-shifted spectrum, we demonstrated HVI-Cy5 could be paired with optogenetic actuators and green/red-emitting fluorescent indicators, allowing multiplexed imaging and all-optical electrophysiology in cultured neurons. This expanded toolbox could facilitate high-throughput screening of agonists/antagonists of neuronal ion channels in the future.

Schematic illustration of voltage imaging with HVI-Cy5 combined with optogenetic stimulation by CheRiff, to achieve crosstalk-free all-optical electrophysiology.

To summarize, HVIs have simultaneously offered high brightness/photostability and genetic targetability, thus combining advantages of both chemistry and biology. The hybrid strategy employed by HVI also highlights the importance of bioorthogonal protein engineering.


One Rhodopsin per Photoreceptor: Iro-C Genes Break the Rule

저작권: © 2008 Stavenga and Arikawa. 이것은 크리에이티브 커먼즈 저작자 표시 라이선스의 조건에 따라 배포되는 오픈 액세스 기사로, 원본 저자와 출처가 표시되는 경우 모든 매체에서 무제한 사용, 배포 및 복제를 허용합니다.

Ever since Morgan observed a mutant male with white eyes among the normally brilliant red-eyed specimens in his pedigree culture of fruit flies, Drosophila has been an inexhaustible source of scientific inspiration and discovery [1]. The regular, almost crystalline mosaic of the fruit fly eye has proved a powerful tool for unraveling genetic defects resulting in anatomical as well as functional modifications of normal physiological and/or behavioral patterns [2]. Developmental and cell biological studies in particular have greatly benefited from the clear and accessible organization of the fruit fly compound eye.

A Drosophila eye consists of roughly 800 anatomically identical units, called the ommatidia (Figure 1A). Each ommatidium contains eight photoreceptor cells (R1–R8) and is capped by a facet lens. The lens projects incident light into each photoreceptor's rhabdomere—the specialized, light-sensitive organelle that functions as a light guide and contains the visual pigment molecules (called rhodopsins). Rhabdomeres also harbor the photoreceptor's phototransduction machinery [3,4], which is made up of signaling components that capture and transform photons from light into an electrical signal, which conveys visual information to the brain. (All the rhabdomeres in an ommatidium are collectively known as the rhabdom.) The R1–R6 rhabdomeres stretch the full length of their photoreceptors, forming a trapezoid with the tandem of the R7 and R8 rhabdomeres in the center (Figure 1B and 1C).

(A) The two compound eyes are composed of anatomically identical building blocks, the ommatidia, arranged in a hemispherical shell. The wild-type fruit fly eye is red due to pigment in pigment cells that optically isolate the ommatidia from each other. The angle between the visual axes of adjacent ommatidia (dashed blue lines), about 5°, determines the spatial acuity of the eye.

(B) Each fly ommatidium contains eight photoreceptor cells, R1–R8. The six large, outer, or peripheral photoreceptors, R1–R6, have long and fat rhabdomeres, and the two slender, inner, or central photoreceptors, R7 and R8, have thinner rhabdomeres, arranged in tandem, with R7 distal and R8 proximal.

(C) Light from a distant point source ((A) red lines with arrows) projected into the R7 of a certain ommatidium is received also by six photoreceptors of the R1–R6 class ((C) red rhabdomeres), each in a different, neighboring ommatidium. The signals of these R1–R6 photoreceptors are summed in the lamina, the optical ganglion adjacent to the retina, thus providing a high-sensitivity motion vision system. The R7s and R8s feed into a color vision system.

Accordingly, the photoreceptors and their rhabdomeres can be classed as outer and inner (or peripheral and central), respectively [2,5], and these two classes serve different visual functions. R1–R6 mediate highly light-sensitive, broad spectral-band motion vision, and R7 and R8 underlie color vision, a capacity that is enabled by special optical and neural organizations [5]. The two classes of photoreceptors can be not only differentiated by the type of vision they mediate, but also by the route via which the visual information is conveyed. The different classes of visual information are collected in two consecutive optical ganglia—namely, the lamina, where information from R1–R6 is collated, and the medulla, where the R7 and R8 signals are transmitted. The specifics regarding further neural processing are unfortunately largely unknown.

Extensive studies on the larger housefly ( Musca ) and blowfly ( Calliphora ) have provided considerable insight into the workings of the fruit fly's retinal organization. For example, transmission light microscopy has revealed two types of ommatidia, with the R7/R8 rhabdomeres of randomly distributed ommatidia appearing yellow, due to a blue-absorbing, photostable pigment (presumably zeaxanthin and/or lutein) concentrated in the R7 rhabdomere, and the rhabdomeres in the complementary set of ommatidia appearing pale [7]. The R7 and R8 photoreceptors of these ommatidia types, accordingly called y and p type, appear to have different rhodopsins [5].

Drosophila has six rhodopsins, Rh1–Rh6. The corresponding protein moieties, the opsins, are encoded by the genes rh1-rh6 [3,5,8]. Depending on the opsin, the rhodopsin absorbs primarily in one of three wavelength ranges—ultraviolet (UV), blue, or green (Figure 2). The exclusively UV-absorbing Rh3 (Figure 2) occurs in the R7 photoreceptors of 30% of the ommatidia, which are randomly distributed throughout the retina. These ommatidia are called p type, based on their similarity to the UV-absorbing rhodopsin in the R7 photoreceptors of housefly and blowfly p type ommatidia. Rh4, which also absorbs UV (Figure 2), is found in the complementary y type ommatidia, which make up the remaining 70% of R7 photoreceptors. The blue-absorbing Rh5 opsin is expressed in all R8s of the p type ommatidia the green-absorbing Rh6 opsin is expressed in the R8s of the y type (Figure 2). New research adds a twist to this established model of the fruit fly retina, which has prevailed for about a decade [8]. 이번 호에서는 플로스 생물학, Mazzoni et al. [9] show that the 70% y type ommatidia are nonhomogeneous: 60% express only rh4, whereas 10% co-express rh3 그리고 rh4 the latter localize in the dorsal third of the Drosophila eye.

Rh1 is the rhodopsin of the R1–R6 photoreceptors, Rh2 is expressed in the ocelli, Rh3 and Rh4 exist in two main classes of R7 photoreceptors, and Rh5 and Rh6 are the rhodopsins of the two corresponding classes of R8 photoreceptors. A specific, small set of R7 photoreceptors expresses both Rh3 and Rh4.

A long-standing general principle in vision research holds that single photoreceptors always contain a single type of rhodopsin, although occasional examples of co-expressed rhodopsins, as the authors have now demonstrated for Drosophila , have cropped up in both vertebrates and invertebrates. Röhlich et al. [10], for example, investigated the retinae of the mouse, rabbit, and guinea pig, which are divided into a superior area dominated by green-sensitive (M) cones, and an inferior area in which cones possess practically only short wavelength–absorbing (S) rhodopsins. They found that the transitional zone between these retinal areas is populated by cones labeled by both M and S cone rhodopsin-specific antibodies. A related result was reported for the Syrian hamster [11]. Kitamoto et al. [12] studied the Japanese swallowtail butterfly, Papilio xuthus , and found that the proximal photoreceptors of the so-called type II ommatidia co-express two mRNAs encoding long wavelength–absorbing rhodopsins. Recently, another example of co-expression of rhodopsins, resembling the Drosophila case, was discovered in a restricted area of the compound eye of the Small White butterfly, Pieris rapae crucivora . In a transition area— which is approximately six ommatidia wide—between the dorsal area and the main dorsoventral area, the short-wavelength photoreceptors express two RNAs coding a UV-absorbing and a blue-absorbing rhodopsin (Omiya M and Arikawa K, unpublished data). The spatial area covered by these photoreceptors is similar to those of the co-expressing Drosophila photoreceptors discovered by Mazzoni et al. [9], suggesting that they fulfill a similar visual role (see below).

An obvious question is whether the co-expressed rhodopsins are both functional—that is, whether they are capable of triggering the phototransduction process, thus inducing a visual signal proportional to the absorbed photon flux. That question has been positively answered for the Papilio xuthus photoreceptors that co-express two rhodopsin mRNAs. Intracellular electrophysiological recordings of the spectral sensitivity of these photoreceptors yielded very broadband sensitivity spectra, which could be interpreted with a computational model that assumed additive sensitivity of two phototransduction chains driven by the two rhodopsins [13].

We emphasize here that double expression of two rhodopsins does not produce an enhancement of absolute light sensitivity. Indeed, Mazzoni et al. [9] found that less Rh3 exists in R7 cells that co-express rh3 그리고 rh4 than in R7 cells expressing only rh3. Assuming that the Rh3 and Rh4 expressed by the Drosophila R7 photoreceptors participate equally in the phototransduction process, the spectral sensitivity of the R7s will be proportional to the summed absorption spectra of the two UV rhodopsins. Because the absorption spectra of Rh3 and Rh4 are not widely spaced apart (Figure 2), the spectral sensitivity of the R7s will only be slightly broadened and still be restricted to the ultraviolet range. (Note that the spectral properties of the ommatidium's integrated optics, consisting of the diffracting facet lens and the waveguiding rhabdomere, also contribute to the spectral sensitivity of a photoreceptor cell, although to a minor extent [14].)

Because double expression of the UV rhodopsins occurs in the R7s in the dorsal third of the compound eye, Mazzoni et al. [9] hypothesize that the R7 photoreceptors, together with the underlying R8s, function in analyzing the UV sky specifically to detect differences in the solar and nonsolar parts of the sky—that is, sky near the sun and away from it—which can differ considerably in short-wavelength light content. This skylight-discriminating ability may serve to help the fly orient for navigational purposes. Although testing this hypothesis will be difficult, because Drosophila is not well known for easy behavioral experiments, calculations of light capture of different sky areas based on detailed modeling of photoreceptor sensitivities will illuminate the tenability of the offered hypothesis. Alternatively, experiments on other species with similar expression patterns, like the butterflies, may provide behavioral evidence.

The exciting, novel thrust coming from the Mazzoni et al. [9] study is their contribution toward unraveling the genetic pathway underlying 로돕신 co-expression. Although many details still have to clarified, it is now clear that spalt genes control the destiny of the R7 and R8 photoreceptors in the first phase of retinal development. In the dorsal-most row of ommatidia, homothorax then governs the expression of the UV-absorbing Rh3 in both R7 and R8, so that these photoreceptors can mediate polarization vision [15,16]. 의 표현 orthodenticle is a necessary step in the generation of Rh3 and Rh5 rhodopsins in the R7 and R8 of p type ommatidia, and spineless determines the fate of y type ommatidia, with the Rh4 and Rh6 rhodopsins in the R7 and R8 photoreceptors, respectively.

In their careful analysis, Mazzoni et al. [9] have now demonstrated that co-expression of Rh3 and Rh4 occurs in a restricted number of y type R7 photoreceptors under the command of genes of the Iroquois Complex ( Iro-C ), a family of genes found in nematodes, insects, and vertebrates [17]. The Iroquois genes, discovered in Drosophila , play a crucial role in neural development, for instance in the mouse and zebrafish retina [18,19]. The first mutant allele recovered in Drosophila suppressed all of the lateral bristles of the dorsal mesothorax (notum), leaving only a wide band of both large and small bristles in the central region of the notum: a pattern resembling the hairstyle of the Iroquois North American Indians (also known as Mohawk) [17]. The Drosophila Iro-C genes encode the transcription factors araucan (아라 after the Araucanian South American Indians), caupolican (caup after Caupolicán, a South American Indian leader), and 거울 (mirr), which have homologs in vertebrates [17,20,21]. Presumably 아라 그리고 caup lift the blockade of the expression of Rh3 in the commonly Rh4-expressing y type R7.

It will be of great interest to see whether the dual expression of rhodopsins as found in the fruit fly is under similar genetic control, in butterfly as well as in vertebrate photoreceptors. This may further improve our insight into the evolution of rhodopsin expression patterns. Surveying different Drosophila species using the well-filled genetic toolbox now available for D. melanogaster will undoubtedly be of great value to further uncover the evolutionary history as well as the genetic mechanisms that break the one rhodopsin-per-photoreceptor rule.


비디오 보기: 생물인강기웅이 옷봐의 ebs 생1 하이탑시각기 1 (팔월 2022).