TY  - THES
A1  - Fei, Lin
T1  - Optogenetic regulation of osmolarity and water flux
T1  - Optogenetische Regulation der Osmolarität und des Wasserflusses
N2  - Optogenetics is a powerful technique that utilizes light to precisely regulate physiological activities of neurons and other cell types. Specifically, light-sensitive ion channels, pumps or enzymes are expressed in cells to enable their regulation by illumination, thus allowing for precise control of biochemical signaling pathways. The first part of my study involved the construction, optimization, and characterization of two optogenetic tools, KCR1 and NCR1. Elena Govorunova et al. discovered a lightgated potassium channel, KCR1, in the protozoan Hyphochytrium catenoides. Traditional potassium ion channels are classified as either ligand-gated or voltage-gated and possess conserved pore-forming domains and K+ -selective filters. However, KCR1 is unique in that it does not contain the signature sequence of previously known K+ channels and is a channelrhodopsin. We synthesized the KCR1 plasmid according to the published sequence and expressed it in Xenopus oocytes. Due to the original KCR1 current being too small, I optimized it into KCR1 2.0 to improve its performance by fusing LR (signal peptide LucyRho, enhances expression) at the N-terminal and T (trafficking signal peptide) and E (ER export signal peptide) at the C-terminal. Additionally, I investigated the light sensitivity, action spectrum, and kinetics of KCR1 2.0 in Xenopus oocytes. The potassium permeability of KCR1 2.0, PK/Pna  24, makes KCR1 2.0 a powerful hyperpolarizing tool that can be used to inhibit neuronal firing in animals. Inspired by KCR1, we used the KCR1 sequence as a template for gene sequence alignment with the sequences in H. catenoides. We found that NCR1 and KCR1 have similar gene sequences. NCR1 was characterized by us as a light-gated sodium channel. This NCR1 was also characterized and published by Govorunova et al. very recently, with the name HcCCR. Due to the original NCR1 current being too small, I optimized it into NCR1 2.0 to improve its performance by fusing LR at the N-terminal and T and E at the C-terminal, which significantly improved the expression level and greatly increased the current amplitude of NCR1. Full-length NCR1 2.0 contains 432 amino acids. To test whether the number of amino acids changes the characteristics of NCR1 2.0, we designed NCR1 2.0 (330), NCR1 2.0 (283), and NCR1 2.0 (273) by retaining the number of amino acids at 330, 280, and 273 in NCR1 2.0, respectively. As the number of amino acids decreased, the current in NCR1 2.0 increased. I also investigated the light sensitivity, action spectrum, and kinetics of NCR1 2.0 (273) in the Xenopus Abstract 2 oocytes. We performed four point mutations at amino acid positions 133 and 116 of NCR1 2.0 and analyzed the reversal potentials of the mutants. The mutations were as follows: NCR1 2.0 (273 D116H), NCR1 2.0 (273 D116E), NCR1 2.0 (283 V133H), and NCR1 2.0 (283 D116Q). The second part of this study focuses on light-induced water transport using optogenetic tools. We explored the use of optogenetic tools to regulate water flow by changing the osmolarity in oocytes. Water flux through AQP1 is driven by the osmotic gradient that results from concentration differences of small molecules or ions. Therefore, we seek to regulate ion concentrations, using optogenetic tools to regulate the flux of water noninvasively. To achieve this, I applied the light-gated cation channels XXM 2.0 and NCR1 2.0 to regulate the concentration of Na+ , while K + channel KCR1 2.0 was used to regulate K + concentration. As Na+ flows into the Xenopus oocytes, the membrane potential of the oocytes becomes positive, and Clcan influx through the light-gated anion channel GtACR1. By combining these optogenetic tools to regulate NaCl or KCl concentrations, I can change the osmolarity inside the oocytes, thus regulating the flux of water. I co-expressed AQP1 with optogenetic tools in the oocytes to accelerate water flux. Overall, I designed three combinations (1: AQP1, XXM 2.0 and GtACR1. 2: AQP1, NCR1 2.0 and GtACR1. 3: AQP1, KCR1 2.0 and GtACR1) to regulate the flow of water in oocytes. The shrinking or swelling of the oocytes can only be achieved when AQP1, light-gated cation channels (XXM 2.0/NCR1 2.0/KCR1 2.0), and light-gated anion channels (GtACR1) are expressed together. The illumination after expression of either or both alone does not result in changes in oocyte morphology. In sum, I demonstrated a novel strategy to manipulate water movement into and out of Xenopus oocytes, non-invasively through illumination. These findings provide a new avenue to interfere with water homeostasis as a means to study related biological phenomena across cell types and organisms.
N2  - Die Optogenetik ist eine leistungsstarke Technik, die Licht zur präzisen Regulierung der physiologischen Aktivitäten von Neuronen und anderen Zelltypen einsetzt. Konkret werden Licht-empfindliche Ionenkanäle, Pumpen oder Enzyme in Zellen exprimiert, um ihre Regulierung durch Belichtung zu ermöglichen und so eine präzise Kontrolle biochemischer Signalwege zu ermöglichen.

Der erste Teil meiner Studie umfasste die Konstruktion, Optimierung und Charakterisierung von zwei optogenetischen Werkzeugen, KCR1 und NCR1. Elena Govorunova und Mitarbeiter entdeckten einen lichtgesteuerten Kaliumkanal, KCR1, in dem Protozoen Hyphochytrium catenoides. Herkömmliche Kalium-Ionenkanäle werden entweder als ligandengesteuert oder spannungsgesteuert klassifiziert und verfügen über konservierte porenbildende Domänen und K+-selektive Filter. KCR1 ist jedoch insofern einzigartig, als er nicht die Signatursequenz der bisher bekannten K+-Kanäle enthält und ein Kanalrhodopsin ist. Wir synthetisierten das KCR1-Plasmid entsprechend der veröffentlichten Sequenz und exprimierten es in Xenopus-Oozyten. Da der ursprüngliche KCR1-Strom zu klein war, optimierte ich ihn zu KCR1 2.0, um seine Leistung zu verbessern, indem LR (Signalpeptid LucyRho, verbessert die Expression) am N-Terminus und T (Trafficking-Signalpeptid) und E (ER-Export-Signalpeptid) am C-Terminus fusioniert wurden. Außerdem untersuchte ich die Lichtempfindlichkeit, das Wirkungs-Spektrum und die Kinetik von KCR1 2.0 in Xenopus-Oozyten. Die Kaliumpermeabilität von KCR1 2.0, PK/PNa  24, macht KCR1 2.0 zu einem leistungsfähigen hyperpolarisierenden Werkzeug, das zur Hemmung von Nervenzellen in Tieren eingesetzt werden kann.

Inspiriert von KCR1 verwendeten wir die KCR1-Sequenz als Vorlage für den Gen-Sequenzabgleich mit Sequenzen in H. catenoides. Wir fanden heraus, dass NCR1 und KCR1 ähnliche Gensequenzen haben. NCR1 wurde von uns als lichtgesteuerter Natriumkanal charakterisiert. NCR1 wurde ebenfalls von Govorunova et al. charakterisiert und vor kurzem unter dem Namen HcCCR veröffentlicht. Da der ursprüngliche NCR1-Strom zu gering war, optimierte ich ihn zu NCR1 2.0, um seine Leistung zu verbessern, indem ich LR am N-Terminus und T und E am C-Terminus fusionierte, was das Expressionsniveau erheblich verbesserte und die Stromamplitude von NCR1 stark erhöhte. NCR1 2.0 in voller Länge enthält 432 Aminosäuren. Um zu testen, ob die Anzahl der Aminosäuren die Eigenschaften von NCR1 2.0 verändert, haben wir NCR1 2.0 (330), NCR1 2.0 (283) und NCR1 2.0 (273) entwickelt, indem wir die Anzahl der Aminosäuren auf 330, 280 bzw. 273 in NCR1 2.0 verkürzt haben. Mit abnehmender Anzahl der Aminosäuren nahm der Strom in NCR1 2.0 zu. Ich untersuchte auch die Licht-Empfindlichkeit, das Wirkungsspektrum und die Kinetik von NCR1 2.0 (273) in Xenopus-Oozyten. Wir führten vier Punktmutationen an den Aminosäurepositionen 133 und 116 von NCR1 2.0 durch und analysierten die Umkehrpotentiale der Mutanten. Die Mutationen waren wie folgt: NCR1 2.0 (273 D116H), NCR1 2.0 (273 D116E), NCR1 2.0 (283 V133H), und NCR1 2.0 (283 D116Q).

Der zweite Teil dieser Studie konzentriert sich auf den lichtinduzierten Wassertransport mit Hilfe optogenetischer Methoden. Wir untersuchten den Einsatz optogenetischer Werkzeuge zur Regulierung des Wasserflusses durch Veränderung der Osmolarität in Oozyten. Der Wasserfluss durch AQP1 wird durch den osmotischen Gradienten angetrieben, der durch Konzentrationsunterschiede kleiner Moleküle oder Ionen entsteht. Daher versuchen wir, die Ionenkonzentration mit optogenetischen Mitteln zu regulieren, um den Wasserfluss nicht-invasiv zu steuern. Zu diesem Zweck verwendete ich die lichtgesteuerten Kationenkanäle XXM 2.0 und NCR1 2.0 zur Regulierung der Na+-Konzentration, während der K+-Kanal KCR1 2.0 zur Regulierung der K+-Konzentration eingesetzt wurde. Wenn Na+ in die Xenopus-Oozyten fließt, wird das Membranpotential der Oozyten positiv, und Cl- kann durch den lichtgesteuerten Anionenkanal GtACR1 einströmen. Durch die Kombination dieser optogenetischen Werkzeuge zur Regulierung der NaCl- oder KCl-Konzentration kann ich die Osmolarität innerhalb der Oozyten verändern und so den Wasserfluss regulieren. Ich habe AQP1 zusammen mit optogenetischen Werkzeugen in den Oozyten exprimiert, um den Wasserfluss zu beschleunigen. Insgesamt habe ich drei Kombinationen entwickelt (1: AQP1, XXM 2.0 und GtACR1. 2: AQP1, NCR1 2.0 und GtACR1. 3: AQP1, KCR1 2.0 und GtACR1) zur Regulierung des Wasserflusses in den Eizellen. Das Schrumpfen oder Anschwellen der Oozyten kann nur erreicht werden, wenn AQP1, lichtgesteuerte Kationenkanäle (XXM 2.0/NCR1 2.0/KCR1 2.0) und lichtgesteuerte Anionenkanäle (GtACR1) gemeinsam exprimiert werden. Die Belichtung nach Expression von einem oder beiden allein führt nicht zu Veränderungen der Morphologie der Oozyten.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ich eine neuartige Strategie zur nicht-invasiven Beeinflussung der Wasserbewegung in und aus Xenopus-Oozyten durch Licht demonstriert habe. Diese Ergebnisse eröffnen einen neuen Weg zur Beeinflussung der Wasserhomöostase als Mittel zur Untersuchung verwandter biologischer Phänomene in verschiedenen Zelltypen und Organismen.
KW  - aquaporins
KW  - Osmolarität
KW  - optogenetic
KW  - sodium
KW  - potassium
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-323092
ER  - 
TY  - THES
A1  - Duan, Xiaodong
T1  - Development of new channelrhodopsin versions with enhanced plasma membrane targeting and high calcium/sodium conductance
T1  - Entwicklung neuer Channelrhodopsin-Versionen mit verbessertem Plasmamembrantargeting und hoher Na+- und Ca2+-Leitfähigkeit
N2  - The technique to manipulate cells or living animals by illumination after gene transfer of light-sensitive proteins is called optogenetics. Successful optogenetics started with the use of the light-gated cation channel channelrhodopsin-2 (ChR2). After early demonstrations of the power of ChR2, further light-sensitive ion channels and ion pumps were recruited to the optogenetic toolbox. Furthermore, mutations and chimera of ChR2 improved its versatility.
However, there is still a need for improved optogenetic tools, e.g. with higher permeability for calcium or better expression in the plasma membrane. In this thesis, my work focuses on the design of highly functional channelrhodopsins with enhanced Na+ and Ca2+ conductance.
First, I tested different N-terminal signal peptides to improve the plasma membrane targeting of Channelrhodopsins. We found that a N-terminal peptide, named LR, could improve the plasma membrane targeting of many rhodopsins. Modification with LR contributed to three to ten-fold larger photocurrents (than that of the original version) of multiple channelrhodopsins, like ChR2 from C. reinhardtii (CrChR2), PsChR, Chrimson, CheRiff, CeChR, ACRs, and the light-activated pump rhodopsins KR2, Jaw, HR.
Second, by introducing point mutation, I could further improve the light sensitivity and photocurrent of different channelrhodopsins. For instance, ChR2-XXM 2.0, ChR2-XXL 2.0 and PsChR D139H 2.0 exhibited hundred times larger photocurrents than wild type ChR2 and they show high light sensitivity. Also, the Ca2+ permeable channelrhodopsins PsCatCh 2.0f and PsCatCh 2.0e show very large photocurrents and fast kinetics. In addition, I also characterized a novel bi-stable CeChR (from the acidophilic green alga Chlamydomonas eustigma) with a much longer closing time.
Third, I analysed the ion selectivity of different ChRs, which provides a basis for rational selection of channelrhodopsins for different experimental purposes. I demonstrate that ChR2, Chronos, Chrimson, CheRiff and CeChR are highly proton conductive, compared with wild type PsChR. Interestingly, Chronos has the lowest potassium conductance among these channelrhodopsins. Furthermore, I found that mutation of an aspartate in TM4 of ChR2 (D156) and PsChR (D139) to histidine obviously increased both the sodium and calcium permeability while proton conductance was reduced. PsChR D139H 2.0 has the largest sodium conductance of any published channelrhodopsin variants. Additionally, I generated PsCatCh 2.0e which exhibits a ten-fold larger calcium current than the previously reported Ca2+ transporting CrChR2 mutant CatCh.
In summary, my research work
1.) described strategies for improving plasma membrane trafficking efficiency of opsins;
2.) yielded channelrhodopsins with fast kinetics or high light sensitivity;
3.) provided optogenetic tools with improved calcium and sodium conductance.
We could also improve the performance of channelrhodopsins with distinct action spectra, which will facilitate two-color neural excitation, both in-vitro and in-vivo.
N2  - Die Technik, Zellen oder lebende Tiere nach dem Gentransfer lichtempfindlicher Proteine durch Belichtung zu manipulieren, wird als Optogenetik bezeichnet. Erfolgreiche Optogenetik begann mit der Verwendung des lichtgesteuerten Kationenkanals Channelrhodopsin-2 (ChR2). Nach frühen erfolgreichen Versuchen mit ChR2 wurden weitere lichtempfindliche Ionenkanäle und Ionenpumpen als optogenetische Werkzeuge etabliert. Darüber hinaus verbesserten Mutationen und Chimären von ChR2 seine Vielseitigkeit.
Es besteht jedoch immer noch ein Bedarf an verbesserten optogenetischen Werkzeugen, z. mit höherer Permeabilität für Calcium oder besserer Expression in der Plasmamembran. In dieser Arbeit beschäftige ich mich mit dem Design hochfunktioneller Channelrhodopsine mit verbesserter Na+- und Ca2+-Leitfähigkeit.
       Zuerst habe ich verschiedene N-terminale Signalpeptide getestet, um die Anreicherung von Channelrhodopsinen in der Plasmamembran (“Plasmamembran-Targeting”) zu verbessern. Wir fanden heraus, dass ein N-terminales Peptid namens LR das Plasmamembran-Targeting vieler Rhodopsine verbessern kann. Die Modifikation mit LR trug zu drei- bis zehnfach größeren Photoströmen (als die der Originalversion) von mehreren Channelrhodopsinen bei, wie ChR2 von C. reinhardtii (CrChR2), PsChR, Chrimson, CheRiff, CeChR, ACRs und der lichtaktivierten Pump-Rhodopsine KR2, Jaw, HR.
        Zweitens konnte ich durch Mutagenese die Lichtempfindlichkeit und/oder den Photostrom verschiedener Channelrhodopsine weiter verbessern. Beispielsweise zeigten ChR2-XXM 2.0, ChR2-XXL 2.0 und PsChR D139H 2.0 hundertmal größere Photoströme als Wildtyp-ChR2 und sie zeigen eine hohe Lichtempfindlichkeit. Auch die Ca2+-permeablen Kanalrhodopsine PsCatCh 2.0f und PsCatCh 2.0e zeigen sehr große Photoströme und eine schnelle Kinetik. Außerdem habe ich ein neues bistabiles CeChR (aus der azidophilen Grünalge Chlamydomonas eustigma) mit einer viel längeren Schließzeit charakterisiert.
Drittens analysierte ich die Ionenselektivität verschiedener ChRs, die eine Grundlage für die rationale Selektion von Channelrhodopsinen für verschiedene experimentelle Zwecke bietet. Ich zeige, dass ChR2, Chronos, Chrimson, CheRiff und CeChR im Vergleich zu Wildtyp-PsChR eine hohe Protonenleitfähigkeit aufweisen. Interessanterweise weist Chronos die niedrigste Kaliumleitfähigkeit unter diesen Channelrhodopsinen auf. Außerdem fand ich, dass die Mutation eines Aspartats in TM4 von ChR2 (D156) und PsChR (D139) zu Histidin offensichtlich sowohl die Natrium- als auch die Calciumpermeabilität erhöht, während die Protonenleitfähigkeit verringert ist. PsChR D139H 2.0 weist die größte Natriumleitfähigkeit aller veröffentlichten Channelrhodopsin-Varianten auf. Zusätzlich erzeugte ich PsCatCh 2.0e, das einen zehnmal größeren Calciumstrom als die zuvor berichtete Ca2+-transportierende CrChR2-Mutante CatCh aufweist.

          Zusammenfassend ergab meine Dissertationsarbeit:
1.) Strategien zur Verbesserung der Expression von Opsinen in der Plasmamembran;
2.) Gut exprimierende Channelrhodopsine mit schneller Kinetik oder hoher Lichtempfindlichkeit;
3.) Neue optogenetische Werkzeuge mit verbesserter Calcium- und Natriumleitfähigkeit.
Auch konnte ich die Leistung von Channelrhodopsinen mit unterschiedlichen Aktionsspektren verbessern, was die zweifarbige neuronale Anregung sowohl in vitro als auch in vivo erleichtern sollte.
KW  - Optogenetik
KW  - Channelrhodopsinen
KW  - optogenetic
KW  - channelrhodopsin
KW  - molecular engineering
KW  - voltage clamp
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-188397
ER  -