БИОХИМИЯ, 2022, том 87, вып. 10, с. 1492–1504

РЕГУЛЯРНЫЕ СТАТЬИ

УДК 575.113

Идентификация генов канальных родопсинов в зеленых и криптофитовых водорослях Белого и Черного морей

© 2022 О.В. Карпова 1*karpova_ov@mail.bio.msu.ru, Е.Н. Виноградова 1,2, Е.С. Лобакова 1

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, биологический факультет, 119991 Москва, Россия

НИЦ «Курчатовский институт», НБИКС Геномный центр, 123182 Москва, Россия

Поступила в редакцию 06.07.2022
После доработки 24.08.2022
Принята к публикации 24.08.2022

DOI: 10.31857/S0320972522100141

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: катионные канальные родопсины, анионные канальные родопсины, зеленые водоросли, криптофитовые водоросли, оптогенетика.

Аннотация

Канальные родопсины зеленых (Chlorophyta) и криптофитовых (Cryptophyta) водорослей при фотоактивации способны модулировать мембранный потенциал клетки и благодаря этому уникальному свойству широко применяются в оптогенетике – современном методе светозависимой регуляции биологических процессов. Для поиска новых генов, перспективных для оптогенетики, мы разработали ПЦР-тесты на канальные родопсины. Были проанализированы 6 беломорских изолятов зеленых водорослей, принадлежащих к родам Haematococcus и Bracteacoccus, а также 2 образца криптофитовых водорослей Rhodomonas sp. из районов Белого и Черного морей. Наш метод позволил успешно выявить ранее идентифицированные канальные родопсины у водорослей рода Haematococcus, а также впервые обнаружить гены катионных канальных родопсинов в водорослях рода Bracteacoccus. Также идентифицированы отдаленно гомологичные гены анионных канальных родопсинов в образцах Rhodomonas sp. из районов Белого и Черного морей. Представленные результаты показывают, что разработанные ПЦР-тесты могут быть полезным инструментом для поиска уникальных генов родопсинов среди представителей Chlorophyta и Cryptophyta в широком диапазоне внутригрупповой гомологии.

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Финансирование

Исследование выполнено при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках соглашения № 075-15-2021-1396 от 26.10.2021 г.

Благодарности

Авторы выражают благодарность Ханайченко А.Н. (ФИЦ ИнБЮМ РАН, Севастополь) и Федоренко Т.А. (МГУ имени М.В. Ломоносова, Москва) за предоставление культур и рекомендации по выращиванию. Исследование выполнено при поддержке научно-образовательной школы МГУ «Молекулярные технологии живых систем и синтетическая биология».

Вклад авторов

Е.С. Лобакова, О.В. Карпова – концепция и руководство работой; Е.Н. Виноградова, О.В. Карпова – проведение экспериментов; Е.С. Лобакова, О.В. Карпова, Е.Н. Виноградова – обсуждение результатов исследования; О.В. Карпова – написание текста; Е.С. Лобакова, Е.Н. Виноградова – редактирование текста статьи.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Настоящая статья не содержит описания каких-либо исследований с участием людей или животных в качестве объектов.

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, doi: 10.3389/fncel.2021.800313.

2. 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, doi: 10.1073/pnas.122243399.

3. Nagel, G., Ollig, D., Fuhrmann, M., Kateriya, S., Musti, A. M., et al. (2002) Channelrhodopsin-1: a light-gated proton channel in green algae, Science, 296, 2395-2398, doi: 10.1126/science.1072068.

4. Nagel, G., Szellas, T., Huhn, W., Kateriya, S., Adeishvili, N., et al. (2003) Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 100, 13940-13945, doi: 10.1073/pnas.1936192100.

5. Boyden, E. S., Zhang, F., Bamberg, E., Nagel, G., and Deisseroth, K. (2005) Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity, Nat. Neurosci., 8, 1263-1268, doi: 10.1038/nn1525.

6. Deisseroth, K. (2015) Optogenetics: 10 years of microbial opsins in neuroscience, Nat. Neurosci., 18, 1213-1225, doi: 10.1038/nn.4091.

7. Govorunova, E. G., Sineshchekov, O. A., Liu, X., Janz, R., and Spudich, J. L. (2015) Natural light-gated anion channels: a family of microbial rhodopsins for advanced optogenetics, Science, 349, 647-650, doi: 10.1126/science.aaa7484.

8. Nakao, S., Kojima, K., and Sudo, Y. (2021) Microbial rhodopsins as multi-functional photoreactive membrane proteins for optogenetics, Biol. Pharm. Bull., 44, 1357-1363, doi: 10.1248/bpb.b21-00544.

9. Klapoetke, N. C., Murata, Y., Kim, S. S., Pulver, S. R., Birdsey-Benson, A., et al. (2014) Independent optical excitation of distinct neural populations, Nat. Methods, 11, 338-346, doi: 10.1038/nmeth.2836.

10. Sahel, J. A., Boulanger-Scemama, E., Pagot, C., Arleo, A., Galluppi, F., et al. (2021) Partial recovery of visual function in a blind patient after optogenetic therapy, Nat. Med., 27, 1223-1229, doi: 10.1038/s41591-021-01351-4.

11. Govorunova, E. G., Sineshchekov, O. A., Li, H., Wang, Y., Brown, L. S., et al. (2021) Cation and anion channelrhodopsins: sequence motifs and taxonomic distribution, mBio, 12, e0165621, doi: 10.1128/mBio.01656-21.

12. Chekanov, K., Lobakova, E., Selyakh, I., Semenova, L., Sidorov, R., et al. (2014) Accumulation of astaxanthin by a new Haematococcus pluvialis strain BM1 from the white sea coastal rocks (Russia), Mar. Drugs, 12, 4504-4520, doi: 10.3390/md12084504.

13. Chekanov, K., Fedorenko, T., Kublanovskaya, A., Litvinov, D., and Lobakova, E. (2020) Diversity of carotenogenic microalgae in the White Sea polar region, FEMS Microbiol. Ecol., 96, fiz183, doi: 10.1093/femsec/fiz183.

14. Stanier, R. Y., Kunisawa, R., Mandel, M., and Cohen-Bazire, G. (1971) Purification and properties of unicellular blue-green algae (order Chroococcales), Bacteriol. Rev., 35, 171-205, doi: 10.1128/br.35.2.171-205.1971.

15. Walne, P. R. (1970) Studies on the food value of nineteen genera of algae to juvenile bivalves of the genera Ostrea, Crassostrea, Mercenaria, and Mytilis, Fish. Invest., 26, 1-62.

16. Keeling, P. J., Burki, F., Wilcox, H. M., Allam, B., Allen, E. E., et al. (2014) The Marine Microbial Eukaryote Transcriptome Sequencing Project (MMETSP): illuminating the functional diversity of eukaryotic life in the oceans through transcriptome sequencing, PLoS Biol., 12, e1001889, doi: 10.1371/journal.pbio.1001889.

17. Jékely, G. (2009) Evolution of phototaxis, Philos. Trans. R. Soc. Lond. B Biol. Sci., 364, 2795-2808, doi: 10.1098/rstb.2009.0072.

18. Govorunova, E. G., Sineshchekov, O. A., and Spudich, J. L. (2016) Structurally distinct cation channelrhodopsins from Cryptophyte algae, Biophys. J., 110, 2302-2304, doi: 10.1016/j.bpj.2016.05.001.

19. Wang, Y., Tian, R. M., Gao, Z. M., Bougouffa, S., and Qian, P.-Y. (2014) Optimal eukaryotic 18S and universal 16S/18S ribosomal RNA primers and their application in a study of symbiosis, PLoS One, 9, e90053, doi: 10.1371/journal.pone.0090053.

20. Krasnova, E. D., Pantyulin, A. N., Matorin, D. N., Todorenko, D. A., Belevich, T. A., et al. (2014) Cryptomonad alga Rhodomonas sp. (Cryptophyta, Pyrenomonadaceae) bloom in the redox zone of the basins separating from the White Sea, Microbiology, 83, 270-277, doi: 10.1134/S0026261714030102.

21. Govorunova, E. G., Sineshchekov, O. A., Rodarte, E. M., Janz, R., Morelle, O., et al. (2017) The expanding family of natural anion channelrhodopsins reveals large variations in kinetics, conductance, and spectral sensitivity, Sci. Rep., 7, 43358, doi: 10.1038/srep43358.

22. Govorunova, E. G., Sineshchekov, O. A., Hemmati, R., Janz, R., Morelle, O., et al. (2018) Extending the time domain of neuronal silencing with cryptophyte anion channelrhodopsins, eNeuro, 5, ENEURO.0174-18.2018, doi: 10.1523/ENEURO.0174-18.2018.

23. Chekanov, K., Litvinov, D., Fedorenko, T., Chivkunova, O., and Lobakova, E. (2021) Combined production of astaxanthin and β-carotene in a new strain of the microalga Bracteacoccus aggregatus BM5/15 (IPPAS C-2045) cultivated in photobioreactor, Biology, 10, 643, doi: 10.3390/biology10070643.