Функциональный анализ генов канальных родопсинов зеленых водорослей беломорского бассейна

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Оптогенетика как метод светоуправляемой регуляции клеточных процессов базируется на применении канальных родопсинов, напрямую генерирующих фотоиндуцированные токи. Наибольшее количество генов канальных родопсинов идентифицировано у зеленых микроводорослей Chlorophyta, и запрос на увеличение числа функционально охарактеризованных канальных родопсинов и разнообразие их фотохимических параметров постоянно растет. Мы провели экспрессионный анализ генов катионных канальных родопсинов (CCR) в природных изолятах микроводорослей родов Haematococcus и Bracteacoccus из уникальной зоны Полярного круга. Обнаруженный полноразмерный CCR транскрипт Haematococcus lacustris является продуктом альтернативного сплайсинга и кодирует белок Hl98CCR2, не обладающий фотохимической активностью. 5′-Концевой фрагмент транскрипта CCR Bracteacoccus aggregatus кодирует белок Ba34CCR, содержащий консервативный мембранный домен ТМ1–ТМ7 и короткий участок цитозольного фрагмента. При гетерологичной экспрессии фрагмента ТМ1–ТМ7 в культуре клеток СНО-К1 наблюдалась светозависимая генерация тока, параметры которого соответствуют характеристикам CCR. Впервые обнаруженный функциональный канальный родопсин Bracteacoccus не имеет близких гомологов CCR и может представлять интерес в качестве кандидата для оптогенетики.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

О. В. Карпова

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: olgakarpova@ymail.com

биологический факультет

Россия, 119991 Москва

Е. Н. Виноградова

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова; НИЦ «Курчатовский Институт»

Email: olgakarpova@ymail.com

биологический факультет; НБИКС Геномный Центр

Россия, 119991 Москва; 123182 Москва

А. М. Мойсенович

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: olgakarpova@ymail.com

биологический факультет

Россия, 119991 Москва

О. Б. Пустовит

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: olgakarpova@ymail.com

биологический факультет

Россия, 119991 Москва

А. А. Рамонова

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: olgakarpova@ymail.com

биологический факультет

Россия, 119991 Москва

Д. В. Абрамочкин

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: olgakarpova@ymail.com

биологический факультет

Россия, 119991 Москва

Е. С. Лобакова

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: olgakarpova@ymail.com

биологический факультет

Россия, 119991 Москва

Список литературы

  1. Govorunova, E. G., Sineshchekov, O. A., and Spudich, J. L. (2022) Emerging diversity of channelrhodopsins and their structure-function relationships, Front. Cell. Neurosci., 15, 800313, https://doi.org/10.3389/fncel.2021.800313.
  2. Sineshchekov, O. A., Govorunova, E. G., Der, A., Keszthelyi, L., and Nultsch, W. (1992) Photoelectric responses in phototactic flagellated algae measured in cell suspension, J. Photochem. Photobiol. B Biol., 13, 119-134, https://doi.org/10.1016/1011-1344(92)85051-U.
  3. Sineshchekov, O. A., Jung, K.-H., and Spudich, J. L. (2002) Two rhodopsins mediate phototaxis to low- and high-intensity light in Chlamydomonas reinhardtii, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 99, 8689-8694, https://doi.org/10.1073/pnas.122243399.
  4. Govorunova, E. G., Jung, K.-W., Sineshchekov, O. A., and Spudich, J. L. (2004) Chlamydomonas sensory rhodopsins A and B: cellular content and role in photophobic responses, Biophys. J., 86, 2342-2349, https://doi.org/10.1016/S0006-3495(04)74291-5.
  5. Deisseroth, K. (2015) Optogenetics: 10 years of microbial opsins in neuroscience, Nat. Neurosci., 18, 1213-1225, https://doi.org/10038/nn.4091.
  6. Govorunova, E. G., Sineshchekov, O. A., Li, H., Wang, Y., Brown, L. S, Palmateer, A., Melkonian, M., Cheng, S., Carpenter, E., Patterson, J., Wong, G. K., and Spudich, J. L. (2021) Cation and anion channelrhodopsins: sequence motifs and taxonomic distribution, mBio, 12, e0165621, https://doi.org/10128/mBio.01656-21.
  7. Карпова О. В., Виноградова E. Н., Лобакова Е. С. (2022) Идентификация генов канальных родопсинов в зеленых и криптофитовых водорослях Белого и Черного морей, Биохимия, 87, 1492-1504, https://doi.org/10.31857/S0320972522100141.
  8. Galietta, L. J., Haggie, P. M., and Verkman, A. S. (2001) Green fluorescent protein-based halide indicators with improved chloride and iodide affinities, FEBS Lett., 499, 220-224, https://doi.org/10.1016/s00145793(01)02561-3.
  9. Hou, S. Y., Govorunova, E. G., Ntefidou, M., Lane, C. E., Spudich, E. N., Sineshchekov, O. A., Spudich, J. L. (2012) Diversity of Chlamydomonas channelrhodopsins, Photochem. Photobiol., 88, 119-128, https://doi.org/10.1111/j.1751-1097.2011.01027.x.
  10. Klapoetke, N. C., Murata, Y., Kim, S. S., Pulver, S. R., Birdsey-Benson, A., Cho, Y. K., Morimoto, T. K., Chuong, A. S., Carpenter, E. J., Tian, Z., Wang, J., Xie, Y., Yan, Z., Zhang, Y., Chow, B. Y., Surek, B., Melkonian, M., Jayaraman, V., Constantine-Paton, M., Wong, G. K., and Boyden, E. S. (2014) Independent optical excitation of distinct neural populations, Nat. Methods, 11, 338-346, https://doi.org/10.1038/nmeth.2836.
  11. Rozenberg, A., Oppermann, J., Wietek, J., Fernandez Lahore, R. G., Sandaa, R. A., Bratbak, G., Hegemann, P., and Béjà, O. (2020) Lateral gene transfer of anion-conducting channelrhodopsins between green algae and giant viruses, Curr. Biol., 30, 4910-4920, https://doi.org/10.1016/j.cub.2020.09.056.
  12. Nagel, G., Ollig, D., Fuhrmann, M., Kateriya, S., Musti, A. M., Bamberg, E., and Hegemann, P. (2002) Channelrhodopsin-1: a light-gated proton channel in green algae, Science, 296, 2395-2398, https://doi.org/10.1126/science.1072068.
  13. Nagel, G., Szellas, T., Huhn, W., Kateriya, S., Adeishvili, N., Berthold, P., Ollig, D., Hegemann, P., and Bamberg E. (2003) Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 100, 13940-13945, https://doi.org/10073/pnas1936192100.
  14. Говорунова Е. Г., Синещеков О. А. (2023) Канальные родопсины: от фототаксиса к оптогенетике, Биохимия, 88, 1880-1897, https://doi.org/10.1134/S000629792310015.
  15. Hososhima, S., Ueno, S., Okado, S., Inoue, K., and Konno, M. (2023) A light-gated cation channel with high reactivity to weak light, Sci. Rep., 13, 7625, https://doi.org/10.1038/s41598-023-34687-7

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Выравнивание транслированных аминокислотных последовательностей (CLUSTAL Omega) продуктов генов CCR Haematococcus и их нативных транскриптов. Hl37CCR, 94 а.о.; Hl98CCR1, 84 а.о.; Hl98CCR1-1, 97 а.о. – фрагменты генов CCR H. lacustris [7]; Hl98CCR2, 350 а.о. – нативный транскрипт гена 98CCR2; нативные транскрипты – HpChR1 H. pluvialis (lacustris), 677 а.о. (GenBank: JN596950, [9]); HpChR H. pluvialis (lacustris), 449 а.о. [11]; HNG2ChR Haematococcus sp. NG2, 350 а.о. [11]; HdChR H. droebakensis (GenBank: KF992059, 307 а.о. [10]); CrChR2 C. reinhardtii, 737 а.о. (GenBank: AF508966, [3]). Функционально значимые аминокислотные остатки (даны в нумерации CrChR2) выделены цветом: Glu (82, 83, 90, 97, 101 и 123) – красным; Glu235 и Ser245 – голубым; Lys257 – зеленым; Ser321 – желтым

Скачать (906KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Выравнивание транслированных аминокислотных последовательностей (CLUSTAL Omega) продуктов нативных CCR-транскриптов Bracteacoccus и Chlamydomonas. Ba34CCR, 325 а.о. – частичный транскрипт гена 34CCR B. aggregatus NAMSU-BM-5/15; нативные транскрипты – CrChR2 C. reinhardtii, 737 а.о. (GenBank: AF508966, [3]); CaChR1 C. augustae, 715 а.о. (GenBank: JN596951, [9]); CraChR2 C. raudensis, 635 а.о. (GenBank: JN596949, [9]); CyChR1 C. yellowstonensis, 717 а.о. (GenBank: JN596948, [9]). Функционально значимые аминокислотные остатки (даны в нумерации CrChR2) выделены цветом: Glu (82, 83, 90, 97, 101 и 123) – красным; Glu235 и Ser245 – голубым; Lys257 – зеленым; Ser321 – желтым

Скачать (764KB)
Метаданные
4. Рис. 3. 3Д-Модели идентифицированных канальных родопсинов (SWISSMODEL) Ba34CCR (а) и Hl98CCR2 (б). В качестве матрицы взята 6eid.1.A, кристаллическая структура CrChR2 C. reinhardtii. N и C указывают локализацию концов полипептидной цепи. Цветовой код (от красного к синему) показывает уровень гомологии с матрицей

Скачать (194KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Исследование локализации экспрессированных родопсинов Ba34CCR и Hl98CCR2 в клетках СНО-К1 методом прижизненной конфокальной микроскопии: Ba34CCR-YFP (верхний ряд) и Hl98CCR2-YFP (нижний ряд). Клеточные мембраны окрашены CellBrite Red, ядра окрашены Hoechst 33342. Линейка – 10 мкм

Скачать (313KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Характеристика токов, генерируемых белками Ba34CCR и Hl98CCR2 при экспрессии в клетках СНО-К1. а – Репрезентативный пример оригинальных записей тока через Hl98CCR2 (I98), индуцированного включением света с длиной волны 490 нм, различной интенсивности при уровне потенциала –20 мВ. б – Репрезентативный пример оригинальных записей тока через Ba34CCR (I34) различной интенсивности, индуцированного включением света с длиной волны 490 нм (интенсивность указана у пика каждой из кривых в процентах от максимальной и в абсолютных значениях мВт/мм2), при уровне потенциала –20 мВ. в – Зависимость пикового тока I34 и тока плато I34 от уровня интенсивности света 490 нм. г – Вольтамперные кривые пикового тока и стационарного тока (плато) I34, индуцируемого светом 490 нм, при интенсивности 50% от максимума (6,25 мВт/мм2)

Скачать (222KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».