Untersuchungen zur Struktur und Funktion von Channelrhodopsinen

Structural and functional analysis of channelrhodopsins

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-85693
  • Die zur Gruppe der mikrobiellen Rhodopsine gehörenden lichtaktivierbaren Ionenkanäle Channelrhodopsin 1 (ChR1) und Channelrhodopsin 2 (ChR2) aus dem Augenfleck von C. rheinhardtii sind Bestandteile des visuellen Systems und an der Phototaxis beteiligt. Sie bestehen aus einem zytosolisch gelegenen C Terminus, dessen Funktion noch ungeklärt ist und einem, für die Kanalaktivität verantwortlichen, N terminalen Bereich aus sieben Transmembranhelices. Der lichtsensitive Kofaktor all trans Retinal ist kovalent an einen Lysinrest (K257) derDie zur Gruppe der mikrobiellen Rhodopsine gehörenden lichtaktivierbaren Ionenkanäle Channelrhodopsin 1 (ChR1) und Channelrhodopsin 2 (ChR2) aus dem Augenfleck von C. rheinhardtii sind Bestandteile des visuellen Systems und an der Phototaxis beteiligt. Sie bestehen aus einem zytosolisch gelegenen C Terminus, dessen Funktion noch ungeklärt ist und einem, für die Kanalaktivität verantwortlichen, N terminalen Bereich aus sieben Transmembranhelices. Der lichtsensitive Kofaktor all trans Retinal ist kovalent an einen Lysinrest (K257) der siebten Transmembranhelix gebunden. Bei einer Belichtung mit Blaulicht isomerisiert das Chromophor zur 13 cis Form, was eine Konformationsänderung und das Öffnen des Kanals zur Folge hat. Im Zuge dessen strömen ein und zweiwertige Kationen in die Zelle und eine Depolarisation findet statt. Um einen tieferen Einblick in Struktur und funktionelle Mechanismen zu bekommen, wurden Wildtyp und Mutanten von Ch1 und ChR2 heterolog in Oozyten von X. laevis exprimiert. In Bakteriorhodopsin bilden die Seitenketten von T90 und D115 eine für Stabilität und Funktion wichtige Wasserstoffbrücke aus. Durch elektrophysiologische, fluoreszenzmikroskopische und biochemische Verfahren wurden Mutanten der entsprechenden Reste in ChR2 (C128, D156) untersucht. Diese zeigten eine deutlich verlangsamte Kinetik und eine 10 bis 100fache Erhöhung der Lichtempfindlichkeit. Die identischen Auswirkungen von Mutationen beider Reste deuten auf eine Bindung mit funktioneller Bedeutung zwischen C128 und D156 hin. Im Falle von ChR2 C128T, C128A und D156A konnte der Kanal nach Anregung mit Blaulicht, durch grünes und violettes Licht vorzeitig geschlossen werden. Diese Lichtqualitäten entsprechen den Absorptionswellenlängen zweier Intermediate des Photozyklus von ChR2 (P390 und P520). Durch Veränderung des externen pH-Wertes konnten Hinweise auf eine protonenabhängige Gleichgewichtsreaktion dieser Intermediate gefunden werden. Auch in dem für Protonen höher leitfähigen ChR1 konnten Hinweise auf eine Interaktion zwischen den Resten C167 und D195 gefunden werden. Elektrische Messungen von Mutanten zeigten eine deutliche Erhöhung des Photostroms bei verhältnismäßig geringem Anstieg der Schließzeit. Der Einfluss dieser Mutationen auf die Kinetik war somit weniger ausgeprägt als bei ChR2. Einen besonderen Stellenwert unter allen Channelrhodopsin Mutanten nehmen ChR2 D156C und ChR1 D195C ein. Mit einem Photostrom von 5 µA bei ChR1 D195C und bis zu 50 µA bei ChR2 D156C konnten für diese die höchsten Photoströme aller bisher charakterisierten ChR1 bzw. ChR2 Varianten nachgewiesen werden. Durch fluoreszenzmikroskopische Quantifizierung konnte für alle im Rahmen dieser Arbeit erstellten ChR1 und ChR2 Mutanten eine erhöhte Proteinmenge sowohl in Anwesenheit als auch Abwesenheit zusätzlichen all trans Retinals während der Inkubation nachgewiesen werden. Die Fluoreszenzintensitäten korrelierten hierbei mit der Höhe der Stromamplituden und erreichten ein Maximum bei ChR2 D156C. Biochemische Experimente mit der Gesamtmembranfraktion von ChR2 exprimierenden Oozyten lieferten Hinweise auf eine dimere Quartärstruktur von Channelrhodopsinen, was durch die Kristallstruktur einer Chimäre aus ChR1 und ChR2 von (Kato et al., 2012) bestätigt wurde. Unter der Annahme, dass die Poren in den Proteomeren gebildet werden, konnte eine gegenseitige Beeinflussung der Regionen in heterodimeren Kanälen aus ChR2 Wildtyp und Mutanten aufgrund kinetischer Unterschiede bei kurzer und langer Belichtung oder der Verwendung von unterschiedlichen Lichtintensitäten nachgewiesen werden. Eine Voraussetzung für diesen Effekt ist eine synchrone Anregung beider Untereinheiten. Die Interaktion von Channelrhodopsin Untereinheiten konnte in vivo mithilfe der bimolekularen Fluoreszenzkomplementation nachgewiesen werden. Dabei zeigte sich, dass die Wechselwirkung nicht nur auf identische Untereinheiten in Homodimeren beschränkt ist, sondern auch bei Heterodimeren aus verschiedenen ChR2 Untereinheiten und sogar zwischen ChR2 und ChR1 möglich ist.show moreshow less
  • The microbial type rhodopsins Channelrhodopsin 1 (ChR1) and Channelrhodopsin 2 (ChR2) are located in the eyespot of the green algae Chlamydomonas rheinhardtii. They are light activated cation channels and play an important role in phototaxis. They are comprised of a cytosolic C terminal part of unknown function and a transmembranal N terminal part responsible for channel activity. The latter consists of seven transmembrane helices and the chromophore all trans Retinal, which is bound covalently as a Schiff base to a lysine residue. WhenThe microbial type rhodopsins Channelrhodopsin 1 (ChR1) and Channelrhodopsin 2 (ChR2) are located in the eyespot of the green algae Chlamydomonas rheinhardtii. They are light activated cation channels and play an important role in phototaxis. They are comprised of a cytosolic C terminal part of unknown function and a transmembranal N terminal part responsible for channel activity. The latter consists of seven transmembrane helices and the chromophore all trans Retinal, which is bound covalently as a Schiff base to a lysine residue. When activated with blue light, the chromophore isomerizes to the 13 cis state, followed by a conformational change of the protein and opening of the channel. The resulting influx of mono and divalent cations leads to a depolarization of the cell. To get a deeper insight in structure and function of ChR1 and ChR2, wildtype and mutants have been heterologously expressed in oocytes of Xenopus laevis. In bacteriorhodopsin, a hydrogen bond between the amino acids T90 and D115 is vital for protein stability and proper pump function. Mutants of the corresponding amino acids in ChR2 (C128, D156) were generated and analyzed electrophysiologically. They displayed a significant deceleration of closing time and a 10 100fold increase in light sensitivity. The identical impact of these mutations on kinetics suggests an interaction between these residues, probably also by the formation of a hydrogen bond. In the case of ChR2 C128T, C128A and D156A closing could be accelerated via green and violet light application. These wavelengths correspond to the absorption wavelengths of the photointermediates P390 and P520 in the photocycle of ChR2. Furthermore, a possible proton-dependent equilibrium between these intermediates was identified by varying external proton concentrations. Electrophysiological analyses of C167 and D195 mutants in ChR1 hinted towards an interaction similar to the one between the homologous residues C128 and D156 in ChR2. Both, ChR1 C167 and ChR1 D195 displayed increased current amplitudes, accompanied by only a small increase in closing time. The impact of these mutations on channel kinetics was less pronounced than in ChR2. The mutants ChR2 D156C and ChR1 D195C are of particular importance. Photocurrent amplitudes of 5 µA for ChR1 and 50 µA for ChR2 at 100 mV render these mutants the ones with the highest current amplitudes of all channelrhodopsin variants characterized up till now. In comparison to wildtype channelrhodopsins, quantification by fluorescence microscopy revealed an increased protein amount in oocytes expressing ChR1 and ChR2 mutants, both in absence and presence of additional all trans Retinal during incubation. The fluorescence intensities correlated to the increased photocurrent amplitudes, reaching a maximum in the ChR2 D156C mutant. Immunoblot experiments with total membrane fractions of oocytes expressing ChR2, bacteriorhodopsin and halorhodopsin hinted towards a dimeric quartenary structure of the channel. This has been confirmed by the recently published crystal structure of a chimaeric ChR1/ChR2 protein (Kato et al., 2012). Assuming the pore in a channel dimer is formed by the protomers, interference or crosstalk between the subunits has been identified. Oocytes expressing mixtures of channelrhodopsins demonstrated differences in kinetics when illumination length and light intensity was varied. A prerequisite for this effect is a simultaneous excitation of both subunits. The interaction of channelrhodopsin-subunits in vivo has been demonstrated by bimolecular fluorescence complementation assays. It was shown, that oligomerization is not restricted to identical subunits in a homodimer but also possible between different ChR2 variants in a heterodimer and even between ChR1 and ChR2.show moreshow less

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Metadaten
Author: Ronnie Gueta
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-85693
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Biologie
Faculties:Fakultät für Biologie / Julius-von-Sachs-Institut für Biowissenschaften
Date of final exam:2012/11/26
Language:German
Year of Completion:2012
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
GND Keyword:Chlamydomonas reinhardii; Glatter Krallenfrosch; Ionenkanal; Rhodopsin
Tag:Channelrhodopsin; Kationenkanal
Cation channel; Channelrhodopsin
Release Date:2014/06/05
Advisor:Prof. Dr. Georg Nagel
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht