Ретиналь-содержащая анионная помпа из цианобактерии Tolypothrix campylonemoides

1 НИИ физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, 119991 Москва, Россия

2 Московский физико-технический институт, 141701 Долгопрудный, Московская обл., Россия

3 Institut de Biologie Structurale (IBS), Université Grenoble Alpes, CEA, CNRS, Grenoble, France

Поступила в редакцию 30.06.2023
После доработки 15.09.2023
Принята к публикации 15.09.2023

DOI: 10.31857/S0320972523100123

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: микробный родопсин, светочувствительная ионная помпа, оптогенетика, протеолипосомы, бислойная липидная мембрана.

Аннотация

В данной работе получена функциональная характеристика родопсина TcaR из цианобактерии Tolypothrix campylonemoides. Анализ аминокислотной последовательности TcaR выявил, что этот белок обладает мотивом TSD, который отличается лишь одной аминокислотой от мотива известной хлорной помпы галородопсина TSA. Белок TcaR был экспрессирован в Escherichia coli, очищен и реконструирован в протеолипосомы и нанодиски. Функциональная активность измерялась по генерации электрического тока через плоские бислойные липидные мембраны с адсорбированными на одной поверхности мембраны протеолипосомами, а также по флуоресценции с использованием потенциал-зависимого красителя оксонола VI. Мы показали, что родопсин TcaR функционирует как мощная анионная помпа. Наши результаты показывают, что новый микробный анионный транспортер TcaR заслуживает более глубокого изучения и может быть интересен как для фундаментальных исследований мембранных белков, так и в качестве инструмента для оптогенетики.

Текст статьи

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Финансирование

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 23‑24‑00038, электрофизиологические измерения), а также при поддержке Министерства образования и науки РФ (задача «Исследование механизмов преобразования энергии в мембранных системах, связанных с циклическим переносом ионов водорода и натрия ферментами электрон-транспортных цепей, механизмов продукции активных форм кислорода и их роли в физиологии клетки», проект AAAA‑A19‑119031390114‑5, спектрофотометрические измерения). Работы по экспрессии и очистке белка были выполнены при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 21‑64‑00018).

Вклад авторов

В.И. Горделий – концепция работы; А.А. Алексеев, Т.И. Рокицкая, Ю.Н. Антоненко, С.М. Бухалович, Ф.М. Цыбров – проведение экспериментов; Ю.Н. Антоненко, В.И. Горделий, Т.И. Рокицкая – написание первоначального текста статьи. Все авторы принимали участие в обсуждении результатов исследования и редактировании окончательной версии статьи.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

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

Список литературы

1. Gushchin, I., and Gordeliy, V. (2018) Microbial rhodopsins, Subcell Biochem., 87, 19-56, doi: 10.1007/978-981-10-7757-9_2.

2. Gomez-Consarnau, L., Raven, J. A., Levine, N. M., Cutter, L. S., Wang, D., Seegers, B., Aristegui, J., Fuhrman, J. A., Gasol, J. M., and Sanudo-Wilhelmy, S. A. (2019) Microbial rhodopsins are major contributors to the solar energy captured in the sea, Sci. Adv., 8, eaaw8855, doi: 10.1126/sciadv.aaw8855.

3. Spudich, J. L., Sineshchekov, O. A., and Govorunova, E. G. (2014) Mechanism divergence in microbial rhodopsins, Biochim. Biophys. Acta, 1837, 546-552, doi: 10.1016/j.bbabio.2013.06.006.

4. Mukherjee, S., Hegemann, P., and Broser, M. (2019) Enzymerhodopsins: novel photoregulated catalysts for optogenetics, Curr. Opin. Struct. Biol., 57, 118-126, doi: 10.1016/j.sbi.2019.02.003.

5. Кирпичников М. П., Островский М. А. (2019) Оптогенетика и зрение, Вестник Российской Академии Наук, 89, 125-130, doi: 10.31857/S0869-5873892125-130.

6. Luecke, H., Schobert, B., Richter, H. T., Cartailler, J. P., and Lanyi, J. K. (1999) Structure of bacteriorhodopsin at 1.55 A resolution, J. Mol. Biol., 291, 899-911, doi: 10.1006/jmbi.1999.3027.

7. Das, S., Singh, D., Madduluri, M., Chandrababunaidu, M. M., Gupta, A., Adhikary, S. P., and Tripathy, S. (2015) Draft genome sequence of bioactive-compound-producing cyanobacterium Tolypothrix campylonemoides strain VB511288, Genome Announc., 3, e00226-15, doi: 10.1128/genomeA.00226-15.

8. Hasemi, T., Kikukawa, T., Watanabe, Y., Aizawa, T., Miyauchi, S., Kamo, N., and Demura, M. (2019) Photochemical study of a cyanobacterial chloride-ion pumping rhodopsin, Biochim. Biophys. Acta, 1860, 136-146, doi: 10.1016/j.bbabio.2018.12.001.

9. Yun, J. H., Park, J. H., Jin, Z., Ohki, M., Wang, Y., Lupala, C. S., Liu, H., Park, S. Y., and Lee, W. (2020) Structure-based functional modification study of a cyanobacterial chloride pump for transporting multiple anions, J. Mol. Biol., 432, 5273-5286, doi: 10.3390/ma13143061.

10. Astashkin, R., Kovalev, K., Bukhdruker, S., Vaganova, S., Kuzmin, A., Alekseev, A., Balandin, T., Zabelskii, D., Gushchin, I., Royant, A., Volkov, D., Bourenkov, G., Koonin, E., Engelhard, M., Bamberg, E., and Gordeliy, V. (2022) Structural insights into light-driven anion pumping in cyanobacteria, Nat. Commun., 13, 6460, doi: 10.1038/s41467-022-34019-9.

11. Oesterhelt, D., Tittor, J., and Bamberg, E. (1992) A unifying concept for ion translocation by retinal proteins, J. Bioenerg. Biomembr., 24, 181-191, doi: 10.1007/BF00762676.

12. Drachev, L. A., Jasaitis, A. A., Kaulen, A. D., Kondrashin, A. A., Liberman, E. A., Nemecek, I. B., Ostroumov, S. A., Semenov, A. Yu., and Skulachev, V. P. (1974) Direct measurement of electric current generation by cytochrome oxidase, H⁺-ATPase and bacteriorhodopsin, Nature, 249, 321-324, doi: 10.1038/249321a0.

13. Drachev, L. A., Frolov, V. N., Kaulen, A. D., Liberman, E. A., Ostroumov, S. A., Plakunova, V. G., Semenov, A. Y., and Skulachev, V. P. (1976) Reconstitution of biological molecular generators of electric current. Bacteriorhodopsin, J. Biol. Chem., 251, 7059-7065.

14. Bamberg, E., Apell, H. J., Dencher, N. A., Sperling, W., Stieve, H., and Lauger, P. (1979) Photocurrents generated by bacteriorhodopsin on planar bilayer membranes, Biophys. Struct. Mech., 5, 277-292, doi: 10.1007/BF02426663.

15. Bamberg, E., Butt, H. J., Eisenrauch, A., and Fendler, K. (1993) Charge transport of ion pumps on lipid bilayer membranes, Q. Rev. Biophys., 26, 1-25, doi: 10.1017/s0033583500003942.

16. Friedrich, T., Geibel, S., Kalmbach, R., Chizhov, I., Ataka, K., Heberle, J., Engelhard, M., and Bamberg, E. (2002) Proteorhodopsin is a light-driven proton pump with variable vectoriality, J. Mol. Biol., 321, 821-838, doi: 10.1016/s0022-2836(02)00696-4.

17. Shevchenko, V., Mager, T., Kovalev, K., Polovinkin, V., Alekseev, A., Juettner, J., Chizhov, I., Bamann, C., Vavourakis, C., Ghai, R., Gushchin, I., Borshchevskiy, V., Rogachev, A., Melnikov, I., Popov, A., Balandin, T., Rodriguez-Valera, F., Manstein, D. J., Bueldt, G., Bamberg, E., and Gordeliy, V. (2017) Inward H⁺ pump xenorhodopsin: mechanism and alternative optogenetic approach, Sci. Adv., 3, e1603187, doi: 10.1126/sciadv.1603187.

18. Schuler, M. A., Denisov, I. G., and Sligar, S. G. (2013) Nanodiscs as a new tool to examine lipid-protein interactions, Methods Mol. Biol., 974, 415-433, doi: 10.1007/978-1-62703-275-9_18.

19. Rokitskaya, T. I., Maliar, N. L., Siletsky, S. A., Gordeliy, V., and Antonenko, Y. N. (2022) Electrophysiological characterization of microbial rhodopsin transport properties: electrometric and DpH measurements using planar lipid bilayer, collodion film, and fluorescent probe approaches, Methods Mol. Biol., 2501, 259-275, doi: 10.1007/978-1-0716-2329-9_12.

20. Rokitskaya, T. I., Maliar, N., Kovalev, K. V., Volkov, O., Gordeliy, V. I., and Antonenko, Y. N. (2021) Rhodopsin channel activity can be evaluated by measuring the photocurrent voltage dependence in planar bilayer lipid membranes, Biochemistry (Moscow), 86, 409-419, doi: 10.1134/S0006297921040039.

21. Selwyn, M. J., Dawson, A. P., Stockdale, M., and Gains, N. (1970) Chloride-hydroxide exchange across mitochondrial, erythrocyte and artificial lipid membranes mediated by trialkyl-and triphenyltin compounds, Eur. J. Biochem., 14, 120-126, doi: 10.1111/j.1432-1033.1970.tb00268.x.

22. Antonenko, Y. N. (1990) Electrically silent anion transport through bilayer lipid membrane induced by tributyltin and triethyllead, J. Membr. Biol., 113, 109-113, doi: 10.1007/BF01872884.

23. Sato, T., Konno, H., Tanaka, Y., Kataoka, T., Nagai, K., Wasserman, H. H., and Ohkuma, S. (1998) Prodigiosins as a new group of H⁺/Cl^– symporters that uncouple proton translocators, J. Biol. Chem., 273, 21455-21462, doi: 10.1074/jbc.273.34.21455.

24. Bamberg, E., Hegemann, P., and Oesterhelt, D. (1984) Reconstitution of the light-driven electrogenic ion-pump halorhodopsin in black lipid membranes, Biochim. Biophys. Acta, 773, 53-60, doi: 10.1016/0005-2736(84)90549-2.

25. Bamberg, E., Tittor, J., and Oesterhelt, D. (1993) Light-driven proton or chloride pumping by halorhodopsin, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 90, 639-643, doi: 10.1073/pnas.90.2.639.

26. Antonenko, Y. N., Denisov, S. S., Silachev, D. N., Khailova, L. S., Jankauskas, S. S., Rokitskaya, T. I., Danilina, T. I., Kotova, E. A., Korshunova, G. A., Plotnikov, E. Y., and Zorov, D. B. (2016) A long-linker conjugate of fluorescein and triphenylphosphonium as mitochondria-targeted uncoupler and fluorescent neuro- and nephroprotector, Biochim. Biophys. Acta, 1860, 2463-2473, doi: 10.1016/j.bbagen.2016.07.014.

27. Steiner, M., Oesterhelt, D., Ariki, M., and Lanyi, J. K. (1984) Halide binding by the purified halorhodopsin chromoprotein. I. Effects on the chromophore, J. Biol. Chem., 259, 2179-2184, doi: 10.1016/S0021-9258(17)43334-5.