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Two-component cyclase opsins of green algae are ATP-dependent and light-inhibited guanylyl cyclases
(2018)
Background:
The green algae Chlamydomonas reinhardtii and Volvox carteri are important models for studying light perception and response, expressing many different photoreceptors. More than 10 opsins were reported in C. reinhardtii, yet only two—the channelrhodopsins—were functionally characterized. Characterization of new opsins would help to understand the green algae photobiology and to develop new tools for optogenetics.
Results:
Here we report the characterization of a novel opsin family from these green algae: light-inhibited guanylyl cyclases regulated through a two-component-like phosphoryl transfer, called “two-component cyclase opsins” (2c-Cyclops). We prove the existence of such opsins in C. reinhardtii and V. carteri and show that they have cytosolic N- and C-termini, implying an eight-transmembrane helix structure. We also demonstrate that cGMP production is both light-inhibited and ATP-dependent. The cyclase activity of Cr2c-Cyclop1 is kept functional by the ongoing phosphorylation and phosphoryl transfer from the histidine kinase to the response regulator in the dark, proven by mutagenesis. Absorption of a photon inhibits the cyclase activity, most likely by inhibiting the phosphoryl transfer. Overexpression of Vc2c-Cyclop1 protein in V. carteri leads to significantly increased cGMP levels, demonstrating guanylyl cyclase activity of Vc2c-Cyclop1 in vivo. Live cell imaging of YFP-tagged Vc2c-Cyclop1 in V. carteri revealed a development-dependent, layer-like structure at the immediate periphery of the nucleus and intense spots in the cell periphery.
Conclusions:
Cr2c-Cyclop1 and Vc2c-Cyclop1 are light-inhibited and ATP-dependent guanylyl cyclases with an unusual eight-transmembrane helix structure of the type I opsin domain which we propose to classify as type Ib, in contrast to the 7 TM type Ia opsins. Overexpression of Vc2c-Cyclop1 protein in V. carteri led to a significant increase of cGMP, demonstrating enzyme functionality in the organism of origin. Fluorescent live cell imaging revealed that Vc2c-Cyclop1 is located in the periphery of the nucleus and in confined areas at the cell periphery.
Die Bioinformatik ist eine interdisziplinäre Wissenschaft, welche Probleme aus allen Lebenswissenschaften mit Hilfe computergestützter Methoden bearbeitet. Ihr Ziel ist es, die Verarbeitung und Interpretation großer Datenmengen zu ermöglichen. Zudem unterstützt sie den Designprozess von Experimenten in der Synthetischen Biologie. Die synthetische Biologie beschäftigt sich mit der Generierung neuer Komponenten und deren Eigenschaften, welche durch die Behandlung und Manipulation lebender Organismen oder Teilen daraus entstehen. Ein besonders interessantes Themengebiet hierbei sind Zweikomponenten-Systeme (Two-Component System, TCS). TCS sind wichtige Signalkaskaden in Bakterien, welche in der Lage sind Informationen aus der Umgebung in eine Zelle zu übertragen und darauf zu reagieren. Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Beurteilung, Nutzung und Weiterentwicklung von bioinformatischen Methoden zur Untersuchung von Proteininteraktionen und biologischen Systemen. Der wissenschaftliche Beitrag der vorliegenden Arbeit kann in drei Aspekte unterteilt werden: - Untersuchung und Beurteilung von bioinformatischen Methoden und Weiterführung der Ergebnisse aus der vorhergehenden Diplomarbeit zum Thema Protein-Protein-Interaktionsvorhersagen. - Analyse genereller evolutionärer Modifikationsmöglichkeiten von TCS sowie deren Design und spezifische Unterschiede. - Abstraktion bzw. Transfer der gewonnenen Erkenntnisse auf technische und biologische Zusammenhänge. Mit dem Ziel das Design neuer Experimente in der synthetischen Biologie zu vereinfachen und die Vergleichbarkeit von technischen und biologischen Prozessen sowie zwischen Organismen zu ermöglichen. Das Ergebnis der durchgeführten Studie zeigte, dass Zweikomponenten-Systeme in ihrem Aufbau sehr konserviert sind. Nichtsdestotrotz konnten viele spezifische Eigenschaften und drei generelle Modifikationsmöglichkeiten entdeckt werden. Die Untersuchungen ermöglichten die Identifikation neuer Promotorstellen, erlaubten aber auch die Beschreibung der Beschaffenheit unterschiedlicher Signalbindestellen. Zudem konnten bisher fehlende Komponenten aus TCS entdeckt werden, ebenso wie neue divergierte TCS-Domänen im Organismus Mycoplasma. Eine Kombination aus technischen Ansätzen und synthetischer Biologie vereinfachte die gezielte Manipulation von TCS oder anderen modularen Systemen. Die Etablierung der vorgestellten zweistufigen Modul-Klassifikation ermöglichte eine effizientere Analyse modular aufgebauter Prozesse und erlaubte somit das molekulare Design synthetischer, biologischer Anwendungen. Zur einfachen Nutzung dieses Ansatzes wurde eine frei zugängliche Software GoSynthetic entwickelt. Konkrete Beispiele demonstrierten die praktische Anwendbarkeit dieser Analysesoftware. Die vorgestellte Klassifikation der synthetisch-biologischen und technischen Einheiten soll die Planung zukünftiger Designexperimente vereinfachen und neue Wege für sinnverwandte Bereiche aufzeigen. Es ist nicht die Hauptaufgabe der Bioinformatik, Experimente zu ersetzen, sondern resultierende große Datenmengen sinnvoll und effizient auszuwerten. Daraus sollen neue Ideen für weitere Analysen und alternative Anwendungen gewonnen werden, um fehlerhafte oder falsche Ansätze frühzeitig zu erkennen. Die Bioinformatik bietet moderne, technische Verfahren, um vertraute, aber oft mühsame experimentelle Wege durch neue, vielversprechende Ansätze zur Datenstrukturierung und Auswertung großer Datenmengen zu ergänzen. Neue Sichtweisen werden durch die Erleichterung des Testprozederes gefördert. Die resultierende Zeitersparnis führt zudem zu einer Kostenreduktion.