We report the electro-optical properties of the sensory rhodopsin II using a near-field scanning microwave microscope(NSMM). Rhodopsin was known as a photoreceptor pigment with a retinal as a chromophore via a protonated Schiff base and consists of seven ${\alpha}-helical$ transmembrane segments. The sensory rhodopsin II, expressing E. coli UT5600 with endogenous retinal biosynthesis system and purified with $Ni^{-2}-NTA$ affinity chromatography in the presence of 0.02 % DM (Dodecyl Maltoside) from Natronomonas pharaonis. We measured the absorption spectra and the transients difference of sensory rhodopsin II from Natronomonas pharaonis using a UV/VIS spectrophotometer with Nd-Yag Laser (532 nm). The absorption spectra of NpSR II showed a typical rhodopsin spectrum with a left shoulder region and the photointermediates spectra of NpSR II-ground state (${\lambda}max=498\;nm$), NpSR II-M state (${\lambda}max=390\;nm$), and NpSR II-O state (${\lambda}max=550\;nm$) during the photocycle. The observed photocycle reaction was confirmed by measuring the microwave reflection coefficient $S_{11}$ at an operating frequency of f=3.93-3.95 GHz and compared with the results of a photocycle of NpSR II.
한국미생물학회 2005년도 International Meeting of the Microbiological Society of Korea
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pp.64-66
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2005
Photosynthetic microbes possess a wealth of photoactive proteins including chlorophyll-based pigments, phototropin-related blue light receptors, phytochromes, and cryptochromes. Surprisingly, recent genome sequencing projects discovered additional photoactive proteins, retinal-based rhodopsins, in cyanobacterial and algal genera. Most of these newly found rhodopsin genes and retinal synthase have not been expressed and their functions are unknown. Analysis of the Anabaena and Chlamyrhodopsin with retinal synthase revealed that they have sensory functions, which, based on our work with haloarchaeal rhodopsins, may use a variety of signaling mechanisms. Anabaena rhodopsin is believed to be sensory, shown to interact with a soluble transducer and the putative function is either chromatic adaptation or circadian rhythm. Chlamydomonas rhodopsins are involved in phototaxis and photophobic responses based on electrical measurements by RNAi experiment. In order to analyze the protein, we developed a sensory rhodopsin expression system in E. coli. The opsin in E. coil bound endogenous all-trans retinal to form a pigment and can be observed on the plate. Using this system we could identify retinal synthase in Anabaena PCC 7120. We conclude that Anabaena D475 dioxygenase functions as a retinal synthase to the Anabaena rhodopsin in the cell.
Anabaena sensory rhodopsin is a seven transmembrane protein that uses all-trans/13-cis retinal as a chromophore. About 22 residues in the retinal-binding pocket of microbial rhodopsins are conserved and important to control the quality of absorbing light and the function of ion transport or sensory transduction. The absorption maximum is 550 nm in the presence of all-trans retinal at dark. Here, we mutated Pro206 to Glu or Asp, of which the residue is conserved as Asp among all other microbial rhodopsins, and the absorption maximum and pKa of the proton acceptor group were measured by absorption spectroscopy at various pHs. Anabaena rhodopsin was expressed best in Escherichia coli in the absence of extra leader sequence when exogenous all-trans retinal was added. The wild-type Anabaena rhodopsin showed small absorption maximum changes between pH4 and 11. In addition, Pro206Asp showed 46 nm blue-shift at pH7.0. Pro206Glu or Asp may change the contribution to the electron distribution of the retinal that is involved in the major role of color tuning for this pigment. The critical residue Ser86 (Asp 96 position in bacteriorhodopsin: proton donor) for the pumping activity was replaced with Asp, but it did not change the proton pumping activity of Anabaena rhodopsin.
Chromophore로 레티날(vitamin A)을 사용하는 막 단백질인 로돕신은 7개의 막 단백질로 이루어진다. 최근 광화학/생물리학 측정 방법이 다양해지면서, 그에 따른 새로운 특성도 함께 다양하게 보고되고 있다. 하지만, 다양한 측정 환경에 따른 그 광화학/생물리학 특성의 차이점에 대한 비교연구는 없는 상태이다. 첫째, 빛 에너지를 이용하여 수소 이온 펌프 역할 하는 것으로 잘 알려져 있는 roteorhodopsin (PR)은 해양 proteobacteria에서 발견 되었다. 둘째, 한 오페론에서 14 kDa 전달자와 같이 발현되면서 신호 전달 기능을 하는 Anabaena sensory rhodopsin (ASR)이 있다. 이에 본 연구에서는 이 두 미생물 로돕신을 이용하여 다양한 조건에서 그 차이를 살펴보았다. 각 단백질이 막에 끼어 있는 상태(membrane state), polyacrylamide gel에 고정되어 있는 상태, nonionic detergent일종인 DDM (n-dodecyl-${\beta}$-D-maltopyranoside)과, OG (octyl-${\beta}$-D-glucopyranoside)에 녹아 있는 상태, 좀더 자연상태와 유사한 환경을 위해 단백질만 깨끗하게 정제한 다음 다시 Escherichia coli의 지질인 DOPC (1,2-didecanoyl-sn-glycero-3-phosphocholine)에 재조립한 상태, 이렇게 5가지 조건에서 각각의 광화학/생물리학 특징을 흡수스펙트럼(absorption spectrum), 빛-어둠 차이 흡수스펙트럼(light-induced difference spectrum), 포토사이클(photocycle)을 측정하였다. 그 결과 DDM에 녹아 있는 PR과 ASR에서 각 다른 파장에서 M과 O state와 같은 선명한 photointermediate를 가지고, 가장 signal/noise 비율이 좋았다. 본 연구를 통해 막단백질의 다양한 측정 환경에 대한 그 특성의 차이점을 살펴봄으로써 앞으로 다양한 종류의 로돕신 연구에 기초 기반이 될 것으로 사료된다.
A halophilic archaeon, Halobacterium salinarum, exhibits phototactic behaviors, by which the organism is guided to red-orange light and evades shorter wavelengths of light. The phototaxis is mediated by two retinal proteins, sensory rhodopsin I and II (SRI and SRII), whose structures are analogous to the cognate protein bacteriorhodopsin, a light-driven proton pump. SRI mediates both attractant and repellent swimming behaviors to orange light and near- UV light, respectively. The two different signaling through the single photoreceptor have been ascribed to the presence of two active structures of SRI (S$\_$373/ and P$\_$520), which are produced upon orange light illumination of SRI and upon subsequent near-UV illumination of S$\_$373/, respectively. In the present study, we have measured the difference FTIR spectra of S$\_$373/ and P$\_$520/ states. In P$\_$520/, the isomeric structure of the chromophore is assignable to all-trans, and the Schiff base of the chromophore is protonated with concomitant deprotonation of Asp76, a combination which allows for the formation of a salt bridge between them. It was suggested that the way of interaction between the Schiff base and the counterion, which is different among SRI$\_$587/, S$\_$373/ and P$\_$520/ and which has been shown to drive the conformational changes in the cognate protein, bacteriorhodopsin, is the key to controlling conformational changes for the attractant and the repellent signaling by SRI.
The attractant (orange light) or repellent (white light) signal is transmitted from SRI (Sensory Rhodopsin I) via protein-protein interaction with its transducer Htrl (Halobacterial Transducer for Sensory Rhodopsin I) which in turn controls a cytoplasmic phospho-transfer pathway that modulates flagella motor switching in Halobacterium salinarum. Some mutations in both SRI and Htrl showed an unusual mutant phenotype called inverted signaling, in which the cell produces a repellent response to normally attractant light. Twelve mutations at the Glutamate 56 (E56) position in the second transmembrane helix of Htrl were introduced by site-specific random mutagenesis. Almost all E56 mutants showed orange-light inverted responses in pH and temperature-dependent manners except E56D and E56Y. Except for these two mutants, all mutants accelerated the $S_{373}$ decay compared to wild-type at $18^{\circ}C$. This supported that there is an interaction between SRI and the second transmembrane of Htrl. Also a structural model of Htrl based on the Tar crystal structure and the secondary structure prediction program proposed the E56 residue to be in the middle of the proton channel. The most important observation is that the E56 mutant provides the evidence that this residue is very sensitive for signal relay, which can be explained by the open and closed conformations of the channel (A and R conformations) in SRI, as was postulated by the unified conformational shuttling model for transport and signaling.
Phoborhodopsin (pR or sensory rhodopsin II, sRII; the absorption maximum of ∼ 500 nm) is a retinoid protein and works as a photoreceptor of the negative phototaxis of Halobacterium salinarum. pharaonis phoborhodopsin (ppR or pharaonis sensory rhodopsin II, psRII) is a corresponding protein of Natronobacterium pharaonis. These sensory proteins form a complex with a cognate transducer protein in the membrane, and this complex transmits the light-signal to the cytoplasm to evoke avoidance reaction from blue-green light. Recently, the functional expression in Escherichia coli membrane of ppR was achieved, which can afford a large amount of the protein and enables mutant studies to clarify the role of various amino acid residues. A truncated transducer which can bind to ppR is also expressed in Escherichia. coli membrane. In this article, we will review properties of ppR mainly using observations of our laboratory; which contains photochemistry (photocycle), light-driven proton uptake, release and transport, F -helix titling during photocycle and association of the transducer.
Jung, Kwang-Hwan;Vishwa Trivedi;Yang, Chii-Shen;Oleg A. Sineschekov;Elena N. Spudich;John L. Spudich
Journal of Photoscience
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제9권3호
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pp.45-48
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2002
Microbial rhodopsins, photoactive 7-transmembrane helix proteins that use retinal as their chromophore, were observed initially in the Archaea and appeared to be restricted to extreme halophilic environments. Our understanding of the abundance and diversity of this family has been radically transformed by findings over the past three years. Genome sequencing of cultivated microbes as well as environmental genomics have unexpectedly revealed archaeal rhodopsin homologs in the other two domains of life as well, namely Bacteria and Eucarya. Organisms containing these homologs inhabit such diverse environments as salt flats, soil, freshwater, and surface and deep ocean waters, and they comprise a broad phylogenetic range of microbial life, including haloarchaea, proteobacteria, cyanobacteria, fungi, and algae. Analysis of the new microbial rhodopsins and their expression and structural and functional characterization reveal that they fulfill both ion transport and sensory functions in various organisms, and use a variety of signaling mechanisms. We have obtained the first crystallographic structure for a photosensory member of this family, the phototaxis receptor sensory rhodopsin II (SRII, also known as phoborhodopsin) that mediates blue-light avoidance by the haloarchaeon Natronobacterium pharaonis. The structure obtained from x-ray diffraction of 3D crystals prepared in a cubic lipid phase reveals key features responsible for its spectral tuning and its sensory function. The mechanism of SRII signaling fits a unified model for transport and signaling in this widespread family of phototransducers.
Spectroscopic titration of D 193N and D 193E mutants of pharaonis phoborhodopsin (ppR) were performed to evaluate the pK$_{a}$ of the Schiff base Asp 193 corresponds to Glu204 of bacteriorhodopsin (bR). The pK$_{a}$ of the Schiff base (SBH$^{+}$) of D193N was 10.1~10.0 (at XH$^{+}$) and 11.4~11.6 (at X) depending on the protonation state of a certain residue (designated by X) and independent on CI$^{[-10]}$ , while those of the wild-type and D193E were> 12. pK$_{a}$ of XH$^{+}$ were; 11.8~11.2 at the state of SB, 10.5 at SBH$^{+}$ state in the presence of CI$^{[-10]}$ , and 9.6 at SBH$^{+}$ without CI$^{[-10]}$ These imply the presence of a long-range interaction in the extracellular channel.r channel.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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