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Background
Microbial rhodopsins vary in their chemical properties, from light sensitive ion transport to different enzymatic activities. Recently, a novel family of two-component Cyclase (rhod)opsins (2c-Cyclop) from the green algae Chlamydomonas reinhardtii and Volvox carteri was characterized, revealing a light-inhibited guanylyl cyclase (GC) activity. More genes similar to 2c-Cyclop exist in algal genomes, but their molecular and physiological functions remained uncharacterized.
Results
Chlamyopsin-5 (Cop5) from C. reinhardtii is related to Cr2c-Cyclop1 (Cop6) and can be expressed in Xenopus laevis oocytes, but shows no GC activity. Here, we exchanged parts of Cop5 with the corresponding ones of Cr2c-Cyclop1. When exchanging the opsin part of Cr2c-Cyclop1 with that of Cop5, we obtained a bi-stable guanylyl cyclase (switch-Cyclop1) whose activity can be switched by short light flashes. The GC activity of switch-Cyclop1 is increased for hours by a short 380 nm illumination and switched off (20-fold decreased) by blue or green light. switch-Cyclop1 is very light-sensitive and can half-maximally be activated by ~ 150 photons/nm2 of 380 nm (~ 73 J/m2) or inhibited by ~ 40 photons/nm\(^2\) of 473 nm (~ 18 J/m\(^2\)).
Conclusions
This engineered guanylyl cyclase is the first light-switchable enzyme for cGMP level regulation. Light-regulated cGMP production with high light-sensitivity is a promising technique for the non-invasive investigation of the effects of cGMP signaling in many different tissues.
Optogenetics was developed in the field of neuroscience and is most commonly using light-sensitive rhodopsins to control the neural activities. Lately, we have expanded this technique into plant science by co-expression of a chloroplast-targeted β-carotene dioxygenase and an improved anion channelrhodopsin GtACR1 from the green alga Guillardia theta. The growth of Nicotiana tabacum pollen tube can then be manipulated by localized green light illumination. To extend the application of analogous optogenetic tools in the pollen tube system, we engineered another two ACRs, GtACR2, and ZipACR, which have different action spectra, light sensitivity and kinetic features, and characterized them in Xenopus laevis oocytes, Nicotiana benthamiana leaves and N. tabacum pollen tubes. We found that the similar molecular engineering method used to improve GtACR1 also enhanced GtACR2 and ZipACR performance in Xenopus laevis oocytes. The ZipACR1 performed in N. benthamiana mesophyll cells and N. tabacum pollen tubes with faster kinetics and reduced light sensitivity, allowing for optogenetic control of anion fluxes with better temporal resolution. The reduced light sensitivity would potentially facilitate future application in plants, grown under low ambient white light, combined with an optogenetic manipulation triggered by stronger green light.
Cyclic GMP (cGMP) signalling regulates multiple biological functions through activation of protein kinase G and cyclic nucleotide-gated (CNG) channels. In sensory neurons, cGMP permits signal modulation, amplification and encoding, before depolarization. Here we implement a guanylyl cyclase rhodopsin from Blastocladiella emersonii as a new optogenetic tool (BeCyclOp), enabling rapid light-triggered cGMP increase in heterologous cells (Xenopus oocytes, HEK293T cells) and in Caenorhabditis elegans. Among five different fungal CyclOps, exhibiting unusual eight transmembrane topologies and cytosolic N-termini, BeCyclOp is the superior optogenetic tool (light/dark activity ratio: 5,000; no cAMP production; turnover (20 °C) ~17 cGMPs\(^{-1}\)). Via co-expressed CNG channels (OLF in oocytes, TAX-2/4 in C. elegans muscle), BeCyclOp photoactivation induces a rapid conductance increase and depolarization at very low light intensities. In O\(_2\)/CO\(_2\) sensory neurons of C. elegans, BeCyclOp activation evokes behavioural responses consistent with their normal sensory function. BeCyclOp therefore enables precise and rapid optogenetic manipulation of cGMP levels in cells and animals.
Netzhauterkrankungen, wie Retinitis pigmentosa, sind in der Bevölkerung weit verbreitet (1,5 Millionen weltweit). Gewöhnlich berichten die Betroffenen über Nachtblindheit und periphere Gesichtsfeldausfälle. Häufig führt diese Erkrankung, die durch eine fortschreitende Degeneration von Photorezeptoren verursacht wird, zur vollständigen Erblindung. Bisher beschrieb man den pathologischen Prozess vor allem an rd-Mäusen. Allerdings setzt bei diesen die Degeneration sehr früh ein. Somit ist die Übertragbarkeit auf den Menschen erschwert, da abgesehen von wenigen Ausnahmen, der Verlust von Photorezeptoren hier erst im zweiten Lebensabschnitt beginnt. Deshalb war es interessant, im Rahmen dieser Arbeit anhand der CNGA3-/-Rho-/- Maus ein Modell zu untersuchen, das ähnlich dem menschlichen System, zunächst eine intakte Morphologie zeigt. Dadurch war es möglich eine genaue zeitliche Abfolge der Degeneration zu dokumentieren. Dies kann medizinisch zur Entwicklung eines Therapieansatzes genutzt werden, der bereits zu Beginn der Degeneration greift, und damit den fortlaufenden Prozess zum Stillstand bringen kann. Die CNGA3-/-Rho-/- Maus repräsentiert ein System funktionsloser Photorezeptoren, bei dem der zyklische Nukleotid-Kanal (CNGA3) der Zapfenaußensegmente und das Rhodopsin (Rho) der Stäbchenaußensegmente ausgeschaltet wurde. Bestätigt wurde dies durch ein Elektroretinogramm mit einer negativen Photoantwort bezüglich Zapfen und Stäbchen. Die Degeneration führt zu einem vollständigen Verlust aller Photorezeptoren nach drei Monaten (Pm3). Zum Zeitpunkt Pw4 konnte, vergleichbar dem Wildtyp, eine intakte äußere Retina nachgewiesen werden, bei der lediglich die äußeren Stäbchensegmente fehlen. Die synaptischen Kontakte zwischen den Terminalien der Photorezeptoren, der Horizontalzellen und Bipolarzelldendriten waren normal entwickelt und Stäbchenendigungen als auch Zapfenendfüßchen bildeten funktionelle Triaden aus. Bei den Stäbchenendigungen konnte mit zunehmender Degeneration (Pw5, Pw6) eine Akkumulation synaptischer Bänder und postsynaptischer Elemente beobachtet werden. Im Zeitraum Pw4-7 zeigten sowohl die Zapfen, als auch die Horizontalzellen und Stäbchen-Bipolarzellen, eine bemerkenswerte strukturelle Plastizität. Obwohl durch die Photorezeptoren kein Lichtsignal vermittelt wurde, konnten präsynaptische Marker (bassoon) und postsynaptische Glutamatrezeptoren (GluR1, mGluR6) an den Photorezeptorterminalien nachgewiesen werden. Dies lässt die Vermutung zu, dass eine Transmitterfreisetzung theoretisch möglich wäre. Darüber hinaus konnte im Zeitraum von 12 Monaten keine nennenswerte Auswirkung auf die IPL beobachtet werden: Amakrin- und Zapfen-Bipolarzellen waren normal stratifiziert und die Expression der Transmitter-Rezeptoren zeigte ein charakteristisches Verteilungsmuster. Außerdem war die Ultrastruktur von konventionellen und Bandsynapsen der des Wildtyps vergleichbar. Darüber hinaus bildeten sowohl Amakrinzellen, als auch Bipolar- und Ganglienzellen, Fortsätze in die INL hinein. Allgemein zeigt die immunhistochemisch und ultrastrukturell untersuchte CNGA3-/-Rho-/- Maus, dass weder funktionell aktive Photorezeptoren noch Licht eine stimulierende Wirkung auf die Ausbildung synaptischer Strukturen und die Expression verschiedener Rezeptoren haben.