Ma `lumot

Sianobacterioxromlar - Biologiya

Sianobacterioxromlar - Biologiya



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Siyanobakterioxromlar

Moviy/Yashil-Yorug'likka javob beruvchi siyanobakteriokromlar-qizil nurli to'lqinli uyalardagi hujayra soyasi sensori.

Cyanobacteriochrome (CBCRs) fotoreseptorlari har xil fotokimyoviy xususiyatlarni ko'rsatadi, lekin ularning ekofiziologik funktsiyalari qiyin bo'lib qolaveradi. Bu erda ko'k/yashil rangli CBCR SesA/B/C hujayra zichligining fiziologik sensori bo'lib xizmat qilishi mumkinligi haqida xabar beramiz. Siyanobakterial hujayralar yashil nurga qaraganda ko'k nurning past o'tkazuvchanligini ko'rsatganligi sababli, hujayraning yuqori zichligi hujayralarga ko'proq yashil nur bilan boyitilgan nurlanishni beradi. Ko'k/yashil aralashgan yorug'lik va oq yorug'lik sharoitida hujayra zichligiga bog'liq bo'lgan hujayralar agregatsiyasini bostirish bu fikrni qo'llab-quvvatlaydi. Bunday sezish mexanizmi termosinekokokning tabiiy yashash joyi bo'lgan issiq buloqlardagi siyanobakteriyalarning matlaridagi hujayraning holati to'g'risida ma'lumot berishi mumkin. Bu hujayra pozitsiyasiga bog'liq bo'lgan SesA/B/C vositachiligida uyali bo'linishni tartibga solish (yig'ish) fototrof matlarni qayta tashkil etish va o'sishi uchun ekofiziologik jihatdan muhim bo'lishi mumkin. Hujayra agregatlarining yashil-yorug'lik ta'sirida dispersiyasi qizil nurli fotosintezni talab qiladi. Moviy/yashil CBCRlar qizil/qizil-qizil fitokromlardan farqli o'laroq, soyali detektor sifatida ishlashi mumkin, shuning uchun CBCRlar siyanobakteriyalarda paydo bo'lgan.

Kalit so'zlar: Biologiya fanlari mikrobiologiya sensori.

Copyright © 2020 Muallif (lar). Elsevier Inc tomonidan nashr etilgan. Barcha huquqlar himoyalangan.


Bakterial fitoxromlar, siyanobakteriokromlar va allofikosiyaninlar yaqin infraqizil lyuminestsent zondlar manbai sifatida

Bakterial fotoreseptorlar yorug'lik energiyasini o'zlashtiradi va metabolizmni tartibga soluvchi hujayra ichidagi signallarga aylantiradi. Bakterial fitoxromli fotoreseptorlar (BphPs), ba'zi siyanobakterioxromlar (CBCR) va allofikotsianlar (APClar) yaqin infraqizil (NIR) absorbans spektrlariga ega bo'lib, ular NIR floresan oqsillarini (FP) va biosensorlarni sutemizuvchilarni tadqiq qilish uchun loyihalash uchun istiqbolli qiladi. hayvonlar. Bu erda biz bakterial fotoreseptorlarning bir nechta oilalarining tuzilishini, fotokimyoviy xususiyatlarini va molekulyar funktsiyalarini ko'rib chiqamiz. Biz NIR FP va biosensorlarni ishlab chiqish uchun molekulyar evolyutsion yondashuvlarni tahlil qilamiz. Keyin biz hozirgi BphP-ga asoslangan NIR FP-larning fenotiplarini muhokama qilamiz va ularni CBCR va APC-lardan olingan FPlar bilan taqqoslaymiz. Nihoyat, biz NIR FP ning jonli hujayralarda va in vivo jonli tasvirlash ilovalarini ko'rib chiqamiz. Bizning sharhimizda mavjud NIR FP ni tanlash bo'yicha ko'rsatmalar, shuningdek CBCR kabi yangi tabiiy shablonlardan NIR FPni ishlab chiqish uchun muhandislik yondashuvlari keltirilgan.

Kalit so'zlar: allofikosiyanin bakterial fotoreseptor siyanobakteriokrom yaqin infraqizil floresan oqsil fitoxrom tetrapirol.

Manfaatlar to'qnashuvi bayonoti

Mualliflar hech qanday manfaatlar to'qnashuvini e'lon qilmaydilar.

Raqamlar

Tanlangan xromoforlar va tuzilmalar ...

Tanlangan bakterial fotoreseptorlarning xromoforlari va tuzilmalari. Chiziqli tetrapirrol xromoforlari: A…

Siyanobakteriokromlarning (CBCR) strukturaviy xususiyatlari:…

Siyanobakterioxromlarning (CBCR) strukturaviy xususiyatlari: ( A ) CBCR GAF topologiya diagrammasi...

Molekulyar evolyutsiya bosqichlari, usullari va ...

Molekulyar evolyutsiya bosqichlari, infraqizil lyuminestsent oqsillarni (NIR) yaratish uchun qo'llaniladigan usullar va texnikalar.

Yaqin infraqizil floresan oqsillarni qo'llash.…

Yaqin infraqizil floresan oqsillarni qo'llash. ( A ) IRFP713 transgenik yangi tug'ilgan chaqaloqning tasviri ...


D.ning molekulyar xarakteristikasi X Siyanobakteriyalardan CF siyanobakterioxromlari Acaryochloris marina ko'k chiroqli quvvat sensori aniqlanadi

Siyanobakterioxromlar (CBCR)-tetrapirol bilan bog'laydigan chiziqli fotoreseptorlar bo'lib, ular to'lqin uzunliklarini ultrabinafsha-to'q qizil ranggacha sezadi. Bu reaktsiyalarda asosiy fotoreaksiyasi a Z/E. C va D halqalari orasidagi qo'sh bog'lanishning izomerizatsiyasi. Ushbu izomerizatsiyadan so'ng rangni sozlashning turli hodisalari CBCRlarning aniq spektral xususiyatlarini o'rnatadi. Turli CBCRlar orasida DXCF CBCR nasli siyanobakteriyalar orasida keng tarqalgan. Chunki DXSiyanobakteriyalardan CF CBCRlari Acaryochloris marina ketma -ketlikda farq qiladi, biz ushbu tadqiqotda ushbu CBCRlarga e'tibor qaratdik. Biz yettita D.ni aniqladikXCF CBCR -lar A. marina va izolyatsiya qilinganidan keyin ularni tahlil qildi Escherichia coli CBCR uchun asosiy xromofor bo'lgan phycocyanobilin ishlab chiqaradi. Biz ushbu CBCRlarning oltitasi xromoforni kovalent ravishda bog'laganligini va ko'k / yashil, ko'k / ko'k, yashil / ko'k va to'q sariq rangli qaytariladigan fotokonversiyalarni o'z ichiga olgan o'zgaruvchan xususiyatlarni namoyish etganligini aniqladik. Shunisi e'tiborga loyiqki, bitta CBCR, AM1_1870g4, ko'k yorug'lik yoritilishiga javoban, haroratga bog'liq bo'lgan tez qorong'i reversiya bilan bir tomonlama fotokonversiyani ko'rsatdi. Bundan tashqari, fotokonversiyasiz amalga oshirildi Z/E. izomerizatsiya. Ushbu kuzatish shuni ko'rsatdiki, AM1_1870g4, ehtimol, ko'k chiroqli yorug'lik sensori sifatida ishlaydi, odatda CBCR-lar ikkita yorug'lik sifatini teskari sezadi. Shuningdek, biz AM1_1870g4 GDCF motifiga ega ekanligini aniqladik, unda Asp qoldig'i D ichidagi keyingi Gly qoldig'i bilan almashtiriladi.XCF motifi. Saytga yo'naltirilgan mutagenez shuni ko'rsatdiki, bu almashtirish AM1_1870g4 yorug'lik kuchini sezish funktsiyasi uchun juda zarur. Bu CBCR superoilasidan ko'k yorug'lik quvvati sensori va ularsiz fotoidrok haqida birinchi hisobot Z/E. Bilinga asoslangan fotoreseptorlar orasida izomerizatsiya.

Kalit so'zlar: siyanobakteriyalar siyanobakterioxromli fotobiologiya fotoreseptorli fitoxromli saytga yo'naltirilgan mutagenez spektroskopiyasi.

© 2018 Amerika Biokimyo va Molekulyar Biologiya Jamiyati tomonidan, Inc.

Manfaatlar to'qnashuvi bayonoti

Mualliflar ushbu maqola mazmuni bilan manfaatlar to'qnashuvi yo'qligini e'lon qiladilar


Xulosa

Sutemizuvchilar to'qimalarining ko'rinadigan nurga nisbatan shaffofligi va infraqizil nurning ≥900 nm suv bilan kuchli zaiflashishi tirik hujayralardagi reaktsiyalarni ko'rish va faollashtirish uchun uzoq-qizil va yaqin infraqizil yutuvchi vositalarni ishlab chiqishga qiziqishning ortishiga yordam berdi. Bu erda biz qizil rangdagi oynada yorug'likka javob beradigan siyanobakterioxromlar (CBCR) kashf etilganligi haqida xabar beramiz. CBCR-bu o'simlik fitokromli sensorlar bilan uzviy bog'liq bo'lgan chiziqli tetrapirrol (bilin) ​​asosidagi yorug'lik sezgichlari. Bizning tadqiqotlarimiz uzoq qizil rangni aniqlaydi (lmaks = 725-755 nm)/to'q sariq (λmaks = 590–600 nm) va qizil-qizil (λmaks = 615–685 nm) kichik (va aminokislotalar) tirik hujayralarda genetik jihatdan qayta tiklanishi mumkin bo'lgan fotosuratlar. Qo'shimcha CBCRlarning filogenetik tahlili va tavsifi uzoq-qizil/to'q sariq rangli CBCRlar qo'shimcha xromatik moslashishni tartibga solish uchun ma'lum bo'lgan yashil/qizil CBCRlardan murakkab o'tishdan keyin rivojlanganligini ko'rsatdi. Turli xil xromoforlarning qo'shilishi shuni ko'rsatdiki, xromoforning qizil siljishi uchun javob beradigan sozlash mexanizmlari A-, B- va/yoki C-halqalarida, fotoizomerlanish esa D-halqasida sodir bo'ladi. Ikkita bunday oqsillar infraqizilga yaqin hududga yaxshi cho'zilgan aniqlanadigan flüoresanlikni namoyish etdi. Bu ish CBCR-larning spektral oynasini infraqizil chegarasiga qadar uzaytiradi, bu esa spektrning qizil-qizil mintaqasida sintetik biologiyada CBCR-lardan foydalanish imkoniyatini oshiradi.

Fototsikllarni tavsiflashda biz 15-raqamli fotostate konventsiyasidan foydalanamizZ birinchi navbatda bilin konfiguratsiyasi, so'ngra 15 bilan fotostat ko'rsatiladiE. konfiguratsiya Rang ta'riflari quyidagicha: UV yaqinida, 300-394 nm binafsha, 395–410 nm ko'k, 411–485 nm ko'k, 486–514 nm yashil, 515–569 nm sariq, 570–585 nm to'q sariq, 586– 614 nm qizil, 615–685 nm qizil, 686–760 nm infraqizil yaqinida, 761–1000 nm.


Siyanobakterioxromlar to'liq rangli va uch o'lchovli

Sensorli fotoretseptorlar hayotning barcha shohliklarida uchraydi, yorug'likka javoban turli xil organizm moslashuvlarini keltirib chiqaradi. Yaqinda aniqlangan siyanobakteriokromlar (CBCRs) siyanobakteriyalarda fotokromatik va fototaktik javoblarga vositachilik qiladi (1 ⇓ -3). Ushbu spektral xilma-xil va hayajonli fotoreseptorlar oilasida fotoreseptorlar va signal uzatishni molekulyar tushunish yo'lida katta qadamlar Narikawa va boshqalar tomonidan amalga oshirildi. (4), PNASda ikkita CBCR fotosensor modulining yuqori aniqlikdagi tuzilmalari haqida xabar beradi.

CBCRlar o'simlik va bakterial fitoxromlar (Phys) bilan bog'liq bo'lib, ular saqlanib qolgan sistein qoldiqlari orqali chiziqli tetrapirol (bilin) ​​xromoforlari bilan tioeter bog'lanishlarini hosil qilish qobiliyatiga ega. Bundan tashqari, bu fotoreseptorlar oilalari birlashtiruvchi fotokimyoviy mexanizmdan foydalanadilar (1 -rasm)A): orasidagi xromoforning fotoizomerlanishi 15Z va 15E Bilin D-halqasining bir vaqtning o'zida aylanishi bilan konfiguratsiyalar (5 ⇓ –7). The 15Z va 15E Shtatlar yutilish xossalari (fotoxromizm) bilan farq qiladi va chiqish domenlari xatti -harakatini va quyi oqim signal uzatish yo'llarini modulyatsiya qiladi. Shunga o'xshash xromoforlarga, fotokimyo va o'z-o'zini yig'ishga qaramay, Phys va CBCRlar bir-biridan ajoyib tarzda farq qiladi. Aksariyat fitoxromlar qaytariladigan fotokonversiya uchun uch domenli PAS-GAF-PHY arxitekturasini [GAF domeni, cGMP-fosfodiesteraza/adenilat siklaza/FhlA (8) PAS domeni, Per/ARNT/Sim PHY domeni, fitoxromga xos) talab qiladi (3, 5 , 7, 9). Buning o'rniga CBCRlar yolg'iz xromofor bilan bog'langan GAF domeni bilan to'liq qaytariladigan fotokimyoga erishadilar. Bir nechta CBCR ko'pincha bitta oqsil ichida tandemda sodir bo'ladi, bu bitta C-terminalli chiqish maydonida bir nechta yorug'lik signallarini birlashtirishga imkon beradi. Fiz asosan qizil/qizil-qizil spektrli hududga javob bersa, CBCR-larda ko'zga ko'rinadigan va ultrabinafsha nurlari yaqinidagi spektrni qamrab oluvchi juda ko'p sonli fotosellar ko'rsatiladi (2, 11-13). Fotokimyo va asosiy tuzilishiga ko'ra, CBCRlarning kamida to'rtta kichik oilasini ajratish mumkin.

Siyanobakterioxromning tuzilishi va vazifasi. (A) Bilin xromoforlari va CBCR fotokimyosi. PCB va PVB Narikava va boshqalarning ishi tomonidan aniqlangan konfiguratsiyalarda o'zlarining 15,16 juft bog'lari bilan ko'rsatilgan. (4). Konjugatsiyalangan π tizimlari tasvirlangan, propionat yon tarmoqlari "P" bilan belgilanadi va tanlangan uglerod atomlari qizil raqamlar bilan belgilanadi. (B) AnPixJ CBCR dimerining tuzilishi, distal spirallar hosil qilgan olti spiralli to'plamni ko'rsatadi. CBCR domenlari ko'pincha tandemda bo'lib, dublikat tuzilmasi bilan oq rangda modellashtirilgan. (C) Tandem-GAF oqsillaridagi domenlararo bog'lovchi, ko'k rangda ko'rsatilgan pozitsiyalar o'rtasida o'lchanadi B, signal uzatish va integratsiyasining saqlangan mexanizmlariga ishora qilib, diskret uzunliklarga katta ustunlikni ko'rsatadi.

Qizig'i shundaki, bu ikkita oilaning qarama-qarshi fotosellari bor: yashil/qizil CBCR-larda yashilni yutuvchi 15Z qorong'i (zamin) holati va qizilni yutuvchi 15E fotomahsulot (2), lekin qizil/yashil CBCR o'rniga qizil singdiruvchi xususiyatga ega 15Z qorong'i holat va yashilni yutuvchi 15E fotomahsulot (14). Qolgan ikkita kichik oila, insert-Cys va DXCF CBCR, ikkalasi ham qo'shimcha konservatsiyalangan sistein qoldiqlaridan foydalanadi va odatda o'zini namoyon qiladi. 15Z quyuq to'lqin uzunligiga sezgir bo'lgan qorong'i holat (UVdan ko'kgacha) va a 15E ko'kdan to'q sariqgacha (3, 11, 12, 15) uzunroq to'lqin uzunliklarida foto-mahsulot yutuvchi. DXCF CBCR'lar CBCRlarning phycocyanobilin (PCB) xromoforini phycoviolobilin (PVB) ga avtokatalitik ravishda izomerlashi mumkin (1-rasm).A), shu bilan ko'k va to'q sariq nurlar orasidagi fotoproduktiv yutilishni sozlash (12, 15, 16). Ushbu kichik oilalarning ikkitasi va ikkala fotostate Narikava va boshqalar tomonidan tasvirlangan tuzilmalarda ifodalangan. (4).

X-ray diffraktsiyasidan foydalanib, Narikava va boshqalar. (4) siyanobakteriyalardan ikkita CBCR fotosensor modulining 1,8 dyuymli va 2,0 dyuymli tuzilmalarini aniqladilar. Nostok sp. PCC 7120 (AnPixJ) va Thermosynecchococcus elongatus BP-1 (TePixJ). Ikkala CBCR ham kanonik GAF katlamini qabul qiladi va bilin xromoforlarini oltita ipli antiparallel b varaq va uchta proksimal a spiraldan hosil bo'lgan yoriqqa bog'laydi, varaqning qarama-qarshi tomonida uchta distal spiral joylashgan (1-rasm).B). AnPixJ-bu qizil/yashil rangli CBCR, PCB-ni xromofor sifatida ishlatadi (14) va u qizilni yutuvchi kristallangan. 15Z qorong'u holat. TePixJ-bu PCB va PVB aralashmasini o'z ichiga olgan DXCF CBCR (15), faqat yashil changni yutuvchi kristall tarkibida PVB populyatsiyasi mavjud. 15E foto mahsulot (1 -rasmA). Fitoxromlarda, 15Z konfiguratsiya qizil yutuvchi Pr holati bilan bog'liq va 15E konformatsiya qizilni yutuvchi Pfr holati bilan bog'liq (3, 6, 7, 9). Shunday qilib, CBCR tuzilmalarini bakterial fizik tuzilmalari bilan taqqoslash barcha bilin-asosli fotoreseptorlarga xos bo'lgan fotosensor mexanizmlar va alohida CBCR kichik oilalari tomonidan qo'llaniladigan maxsus mexanizmlar haqida misli ko'rilmagan molekulyar tushuncha beradi.

Fitokromlarda kristallografiya va NMR spektroskopiyasi bunga ishonchli dalil beradi Z/E. 15,16 qo'sh bog'ning fotoizomerizatsiyasi (3, 6, 7, 9, 17). Ko'p biokimyoviy ma'lumotlar CBCRlarda bir xil asosiy fotokimyoga taalluqlidir (2, 11 ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ -16, 18), bu hozirda tasdiqlangan. 15Z qorong'u holat va 15E hozirgi tuzilmalarda ko'rilgan fotoprodukt. Qizig'i shundaki, asosiy protein-xromofor o'zaro ta'sirlari CBCR va Phys o'rtasida ham saqlanib qoladi: konservalangan histidin yoki tirozin qoldig'i bilin D-halqasining karbonil kislorodi bilan vodorod bog'ini hosil qiladi. 15Z holati (4, 5, 9) va D-halqaning amid azoti vodorod bilan bog'langan aspartat qoldig'ida saqlanadi. 15E davlat (4, 7, 17). Birlamchi fotokimyo va asosiy xromofor-oqsil o'zaro ta'sirining saqlanishi fotokimyoviy signalning C-terminal chiqish domeniga uzatilishi ham saqlanib qolishi ehtimolini oshiradi.

CBCR tuzilmalari, shuningdek, fotosellarning xilma -xilligini yoritadi. CBCR-larda Phys-ning PAS va PHY domenlari yo'q, bu bilin A- va B-halqalarni erituvchi ta'siriga olib keladi. AnPixJda ham, Cph1 (9) siyanobakterial fitoxromida ham xromofor 15Z umumiy o'xshash geometriya bilan konfiguratsiya. Shu bilan birga, konservalangan aspartat turli xil rollarni bajaradi: Cph1da u PHY domenidagi saqlanib qolgan qoldiq bilan o'zaro ta'sir qiladi, ammo AnPixJda u to'g'ridan-to'g'ri A, B va C bilin halqalari bilan o'zaro ta'sir qiladi (4). AnPixJ va u bilan bog'liq oqsillarning yashil assimilyatsiya qiluvchi fotoproduktini shakllantirishning strukturaviy asoslari hali aniqlanmagan (10, 13, 14). TePixJ uchun vaziyat teskari bo'lib, unda yashil rangni yutuvchi fotomahsulot kristallangan va ko'k rangni yutuvchi qorong'u holatni tavsiflash kerak. Elektron zichligi aniq xromoforni bir -biriga bog'langan PVB qo'shimchasi sifatida aniqlaydi (4), DXCF sistein qoldig'i (15) xromoforga biriktirilmagan. PVBda tenglikni C5 metin ko'prigi to'yingan bo'lib, konjugatsiyalangan elektron tizimini qisqartiradi (1 -rasm).A). Shunday qilib, TePixJ tuzilishi yashil yorug'likni idrok etish uchun asosni aniqlaydi. Ko'kni yutuvchi qorong'u holat uchun tuzilmalar hali mavjud emas, ammo biokimyoviy va spektroskopik tadqiqotlar DXCF sistein va bu holatda bilin xromoforning C10 atomi o'rtasidagi kovalent bog'lanishning ishonchli dalillarini beradi (11, 12, 15, 16, 18). ).

Narikava va boshqalarning ishi. hozirda CBCRni kelgusidagi spektroskopik va mexanik tadqiqotlar uchun tizimli zamin yaratadi.

CBCR tuzilmalari, shuningdek, xromofordan chiqish domeniga signal tarqalishi haqida hayratlanarli maslahatlar beradi. AnPixJ va TePixJ parallel dimerlar sifatida kristallanadi, dimerik sheriklarning distal a spirallari spiral to'plamni hosil qiladi. Boshqa GAF oqsillari (8) va fitoxromlar (5, 7) uchun juda o'xshash to'rtlamchi strukturaviy tuzilishlar kuzatilgan, ularda distal spiral to'plam yorug'lik signallarini quyi oqim modullariga o'tkazishda ishtirok etgan (7, 17). Ketma -ket tahlil asosida Narikava va boshqalar. (4) CBCR-lar o'zlarining chiqish modullariga uzluksiz "signal spirallari" (19) orqali ulanishini ta'kidlaydilar, ular signalni C terminaliga (masalan, piston, burilish yoki spiral to'plamlar ichida aylanish harakatlari orqali) tarqatadi. Qizig'i shundaki, ketma-ketlik ma'lumotlari yana CBCR tandem fotosensor modullari va tandem GAF domenlari saqlanib qolgan uzunlikdagi a spirallari bilan ketma-ket bog'langanligini ko'rsatadi (1-rasm). B va C). Tandem CBCR fotosensor modullari shu tariqa GAF va boshqa sohalarda saqlangan spiral harakatlar qatori orqali bir nechta yorug'lik signallarini birlashtirishi mumkin (10, 20), bu Narikava va boshqalarning ishi uchun yanada kengroq ahamiyat kasb etadi. (4).

Xulosa qilib aytganda, Narikava va boshqalar. (4) endi CBCRlarning kelajakdagi spektroskopik va mexanik tadqiqotlari uchun tizimli fonni taqdim etadi. Tegishli fotokimyoviy, ammo sodda domen arxitekturasi tufayli CBCRlar fitoxromlar uchun kuchli paradigma bo'lib xizmat qilishi mumkin. Nihoyat, ularning ixcham o'lchamlari va har xil yorug'lik ranglari va qizg'inligini sezish qobiliyatini hisobga olgan holda, CBCRlar optogenetikada foydalanish uchun fotoreseptorlar muhandisligida jozibador qurilish bloklari bo'lib, hozirgi tuzilmalar tizimli asos beradi.

Eslatma Proof -ga qo'shilgan.

Burgie va boshqalar. yaqinda DXCF sistein va bilin (21) C10 atomi o'rtasida kovalent bog'lanish mavjudligini tasdiqlovchi ko'k yutuvchi qorong'i holatda TePixJ ning ikkita tuzilishini aniqladilar.


Siyanobakterioxromlar: siyanobakteriyalarda tetrapirol biriktiruvchi fotoreseptorlarning yangi superfamilasi.

M. Ikeuchi va T. Ishizuka, Fotokimyo. Fotobiol. Ilmiy., 2008, 7, 1159 DOI: 10.1039/B802660M

Ushbu maqoladagi materialni qayta ishlab chiqarishga ruxsat so'rash uchun, Mualliflik huquqlarini tozalash markazining so'rovlar sahifasiga o'ting.

Agar shunday bo'lsangiz RSC nashriga hissa qo'shayotgan muallif, sizdan ruxsat so'rashingiz shart emas to'g'ri tasdiqlangan taqdirda.

Agar shunday bo'lsangiz ushbu maqola muallifi, siz raqamlar va diagrammalarni ko'paytirish uchun ruxsat so'rashingiz shart emas to'g'ri tasdiqlangan taqdirda. Agar siz butun maqolani uchinchi tomon nashrida chop etishni xohlasangiz (ruxsat talab qilinmaydigan tezisingiz/dissertatsiyangiz bundan mustasno), Mualliflik huquqlarini tozalash markazining so'rovlar sahifasiga o'ting.


Siyanobakteriyalarda yashil va qizil nurni sezuvchi fotosensorning strukturaviy o'ziga xosligi

RcaE yashil va qizil chiroqlarni sezadi va siyanobakteriyalarda yorug'lik yig'uvchi antennaning superkompleksining (fitobilizom, qo'shma raqam) absorbtsion maksimallarini tartibga soladi. Kredit: Toyoxashi Texnologiya Universiteti

Ba'zi siyanobakteriyalar yashil va qizil nurni sezuvchi fotosensor oqsili yordamida fotosintez uchun yutuvchi yorug'lik ranglarini o'zgartirishi mumkin. Yaponiya tadqiqot guruhi fotosensorlarning vakili a'zosi RcaE ning molekulyar tuzilishini ochib berdi. Ular bilin xromoforining o'ziga xos konformatsiyasini va protonni bilinga o'tkazish yo'li sifatida potentsial ravishda ishlaydigan noyob oqsil tuzilishini aniqladilar. Ular, shuningdek, yashil va qizil rangli fotokonversiya paytida RcaE bilin xromoforining protonatsiyasi va depotonatsiyasiga uchrashini ko'rsatdilar. Bu natijalar siyanobakteriyalar turli xil spektrli sezuvchanlikdagi fotosensorlarning evolyutsiyasi haqida ma'lumot beradi va gen ekspresiyasining yangi foto almashtiruvchilarini yaratishga yordam beradi.

Ba'zi siyanobakteriyalar "yashil" va "qizil" chiroqlardan foydalanishlari mumkin, ular "fitobilizoma" deb nomlangan yorug'lik yig'uvchi antenna superkompleksidan foydalanadilar. Ular hujayra rangining ajoyib o'zgarishiga olib keladigan fitobilizomning yutuvchi maximalarini boshqarishi mumkin. Bu hodisa fotosanorlarning siyanobakterioxromlar oilasiga mansub RcaE tomonidan tartibga solinadi. RcaE ma'lum xromoforni o'z ichiga oladi va atrofdagi yorug'lik ranglarini sezish uchun yashil va qizilni yutuvchi holatlarni fotokonvert qiladi. Yashil va qizil fotokonversiya bilin fotoizomerizatsiyasi va keyinchalik protonatsiya holatining o'zgarishi bilan bog'liq bo'lsa -da, bu fotokonversiyaning strukturaviy asosi noma'lumligicha qolmoqda.

Tadqiqot guruhiga Takayuki Nagae (Nagoya universiteti), Masaki Mishima (Tokio farmatsevtika va hayot fanlari universiteti), Yuu Xirose (Toyoxashi texnologiya universiteti), Masashi Unno (Saga universiteti), Key Vada (Miyazaki universiteti) va Yutaka Itoh ( Tokio shahar universiteti). Ular RcaE ning yuqori aniqlikdagi tuzilishini qizil yutuvchi holatida rentgen kristallografiyasi yordamida aniqladilar. Bilin xromofor A-C halqali halqalar bilan konformatsiyani ko'rsatdi, bunda azot atomlari ichkariga qaragan, egilgan D halqasining azoti tashqi tomonga qaragan (C15-E deb tasniflangan, sin tuzilishi). Bundan tashqari, ular RcaE ning bilin bog'laydigan cho'ntagida suv molekulalari bo'lgan gözenekli bo'shliqni aniqladilar. Klasterli suv molekulalari saqlangan kislotali qoldiq Glu217 orqali vodorod aloqasi tarmog'i orqali bilin A-C halqalarining azot atomlari bilan bog'langan.

  • RcaE ning noyob oqadigan chelak tuzilishi. Tanlangan pastadir ortidagi suv molekulalari qizil sharlar shaklida ko'rsatilgan. Kredit: Toyoxashi Texnologiya Universiteti.
  • RcaE ning yashil va qizil fotokonversiyasining tavsiya etilgan modeli. Kredit: Toyoxashi Texnologiya Universiteti.

Tadqiqot guruhi molekulyar dinamik simulyatsiyalar orqali bo'shliqdagi suv molekulalari erituvchi suv bilan almashinishini ko'rsatdi. Ular, shuningdek, 15N NMR spektroskopiyasi yordamida bilinning to'rtta pirolli azot atomlari qizil so'rilish holatida to'liq protonlanganligini, bir azot atomi esa yashil absorbtsiya holatida depotonatsiyalanishini ko'rsatdi. Ularning fikricha, noyob gözenekli bo'shliq yashil va qizil fotokonversiya paytida proton chiqishi yoki kirish yo'li vazifasini bajargan. RcaE ning Raman spektroskopiyasi bo'yicha ilgari o'tkazilgan tadqiqot hisobotlarini inobatga olgan holda, ular C15-Z, anti-tuzilishga ega bo'lgan B-halqali azotda ma'lum depotonatsiya sodir bo'lishini taklif qilishdi. Hozirgi vaqtda ular ushbu modelni tasdiqlash uchun RcaE ning yashil yutuvchi holatining kristalizatsiyasi ustida ishlamoqda.

RcaE ning tuzilishi va spektral sozlash mexanizmlarini ochib berish, siyanobakteriyalarning turli xil yorug'lik muhitiga moslashish uchun turli xil siyanobakterial subfamiliyalar qanday paydo bo'lganligi to'g'risida tushuncha beradi. Yashil va qizil nurni sezuvchi siyanobakterioxromlar sintetik biologiyada gen ekspresiyasini boshqaruvchi murakkab fotosvaderlar sifatida ishlatilgan. RcaE tuzilishiga asoslangan aminokislotalar qoldig'ining modifikatsiyasi kerakli fotosensitivlikka ega bo'lgan yangi foto almashtiruvchilarning rivojlanishiga yordam beradi.


Natijalar

Filogenetik va spektroskopik tahlillar ilgari xarakterlanmagan frCBCR avlodini aniqlaydi.

Oldingi ishda, biz rekombinant JSC1_58120g3 g'ayrioddiy qizil siljigan, qizil-qizil rangli qizil tsiklni namoyish qilganini qayd etdik [712/654 nm (45)]. Ushbu CBCR, CBCR tomonidan boshqariladigan metil qabul qiluvchi kemotaksis oqsilida (cMCP), taniqli fototaksis sensorlar bilan mos keladigan arxitektura (53, 54) bilan birgalikda tashkil etilgan uchtadan biridir. Qo'shni domenlarning hech biri, JSC1_58120g2 va JSC1_58120g4, shunga o'xshash xatti -harakatlarni ko'rsatmagan. Buning o'rniga, ushbu CBCRlar mos ravishda phycoviolobilin (PVB) va PCB xromoforlari bilan UV / ko'k va qizil / yashil fototsikllarni namoyish etdi (SI ilovasi, S1 -rasmC). BLAST (55) so'rovi sifatida JSC1_58120g3 dan foydalanib, kanonik qizil/yashil CBCRlarga nisbatan xarakterli aminokislotalar almashinuvi bilan bir qator CBCR ketma -ketligini aniqladi, qolgan qoldiqlari ikki guruh orasida saqlanib qolgan (SI ilovasi, S2 -rasmA). Filogenetik tahlil shuni ko'rsatdiki, JSC1_58120g3 va unga aloqador oqsillar XRG naslidan paydo bo'lgan. Bu oqsillar AmBV4 oilasidan farq qiladi (1 -rasmA va SI ilovasi, S2-rasmB). XRG nasl-nasabining a'zolari sifatida JSC1_58120g3 va ushbu naslning boshqa a'zolari ham CBCRlarning katta yashil/qizil (GGR) nasl-nasabi doirasida rivojlangan, ilgari aniqlangan PCB-bog'lovchi FRoGGR klasteri bilan chambarchas bog'liq emas (52).

Qizil-qizil fotosensorlarning yangi aniqlangan nasli. (A) Ushbu tadqiqotda tasvirlangan DPYLoar nasl-nasabi uchun qisman yiqilgan filogenetik daraxt ko'rsatilgan. Yiqilgan filiallar yonidagi parantezlar, agar mavjud bo'lsa, ushbu filialda topilgan CBCR -larning sonini, shuningdek, filialning xarakterli CBCR -ni ko'rsatadi. To'liq daraxt mavjud SI ilovasi, S2 -rasmB. (BD) To'q rangga moslashtirilgan (ko'k, 15Z) va fotomahsulot (apelsin, 15E) yutilish spektrlari JSC1_58120g3 uchun ko'rsatilgan (B), Mic7113_1903g4 (C) va AFZ15460g4 (D) PCB biosintetik fermentlari bilan ifodalangan. (E.G) Spektrlar quyidagi kabi ko'rsatilgan BD PΦB biosintetik fermentlar bilan ifodalangan oqsillar uchun.

Keyin biz ushbu nasl ichida ikkita qo'shimcha oqsilni ifoda etdik Escherichia coli PCB yoki PBB sintezi uchun yaratilgan hujayralar. Mic7113_1903g4 va AFZ15460g4 ikkalasi ham AK1_58120g3 ga o'xshash FR/R fotoselli fotoaktiv CBCR -larni berdi (1 -rasm). BG va SI ilovasi, S1-jadval). PB ishlab chiqaradigan hujayra liniyalaridan olingan har bir CBCR uchun qorong'u holat spektrlari PCB ekspresion liniyalaridan olinganlarga nisbatan ~ 10 nm ga qizil siljigan (1-rasm: solishtiring) BD bilan E.G). Biroq, bu bilinga bog'liq siljish fotomahsulot holatlari uchun ancha kam edi. Birgalikda bu ma'lumotlar shuni ko'rsatadiki, bu sinf FR / R sensorlarining ilgari tavsiflanmagan avlodini o'z ichiga oladi.

FrCBCRlarning ushbu naslining a'zolari atipik xromoforlarga ega.

Bu oiladagi spektral sozlashning molekulyar asosini aniqlash uchun biz birinchi navbatda 6 M guanidinium-HCl dagi denaturatsiyadan so'ng uchta FR/R CBCR ning yutilish spektrini o'lchadik.SI ilovasi, S3 -rasmA). Denatura qilingan qizil-qizil absorbsiyali qorong'u xolat1x58120g3 fotokimyoviy jihatdan faol emas edi, denaturatsiyalangan qizil absorbsiyali mahsulot esa ko'k rangda siljigan va hali ham fotoaktiv edi.SI ilovasi, S3-rasmB). Bilinlarning denaturatsiyalangan sharoitda ma'lum xatti -harakatlariga asoslanib (56, 57), bu natijalar aniqlanadi 15Z va 15E Xromoforning mos ravishda uzoq-qizil va qizil yutuvchi holatlardagi konfiguratsiyasi. Odatda, PCB yoki PPH ishlab chiqaruvchi hujayralarda ifodalangan xromoforni bog'laydigan CBCRlar PCB yoki PPH qo'shimchalarini saqlaydi yoki C5 metin ko'prigida izomerizatsiyani amalga oshiradi (31, 33). Denaturatsiya sharoitida ushbu nasldagi uchta CBCRning so'rilish maksimal darajasi standart sifatida ishlatiladigan PCB yoki PPH ni o'z ichiga olgan qizil/yashil CBCRlarga nisbatan qizil rangga o'zgardi (NpR6012g4 va NpR5113g2: SI ilovasi, S3 -rasm BF). Kutilmagan holda, PB ishlab chiqaruvchi hujayralardagi barcha uchta frCBCR uchun denaturatsiyalangan spektrlar BV bilan bog'langan AM1_C0023g2 [47] spektrlariga o'xshardi, shu bilan birga PCB ishlab chiqaruvchi hujayralar PCB va BV-qo'shilish standartlari o'rtasida oraliq bo'lib, yaqinda bog'langan aholiga o'xshardi. 18 1, 18 2 -DHBV (46). Denaturatsiya bilin xromoforning tabiiy oqsil kontekstida spektral sozlanishi uchun mas'ul bo'lgan bilin-protein o'zaro ta'sirini buzadi (30, 31, 58), shuning uchun bu natijalar shuni ko'rsatadiki, bu yangi frCBCR naslining bilin xromoforlari PCB va PPH qo'shimchalaridan farq qiladi. xuddi shunday ifoda etilgan CBCR standartlari (32, 59).

FrCBCRlarning ushbu nasl-nasab a'zolari A-Ring-kamaytirilgan fikobilinlar o'rniga Verdinsni bog'laydilar.

Biz PCB (PDB ID 6XHH) yoki PPH (PDB ID 6XHG) ishlab chiqarish uchun yaratilgan hujayralardan ajratilgan uzoq-qizil rangni yutish holatida JSC1_58120g3 ning yaxshi diffraksion kristallarini olish baxtiga muyassar bo'ldik. PCB bilan ifodalangan protein uchun kristallar assimetrik birlik uchun ikkita monomer bilan P1 simmetriyasini qabul qildilar. Kristal tuzilishi qizil-yutuvchi AnPixJg2 (PDB ID 3W2Z) qorong'u holatining polialaninli modeli yordamida molekulyar almashtirish yo'li bilan 1,5-dyuymli aniqlandi, bu R-faktorga/R-erkingacha 19,4/23,1% ga (SI ilovasi, S2 -jadval). PPH bilan ifodalangan oqsil uchun kristallar ham assimetrik birlik uchun ikkita monomer bilan P1 simmetriyasini qabul qildilar. Ushbu struktura qidiruv modeli sifatida PCB ifodalangan protein yordamida molekulyar almashtirish yo'li bilan 2,3 Å o'lchamda aniqlandi va 23,1/26,4% R-faktor/R-bo'sh darajaga qadar tozalandi (SI ilovasi, S2 -jadval).

Kutilganidek, ikkala JSC1_58120g3 tuzilmalari boshqa XRG CBCR -lariga o'xshash GAF katlamlarini qabul qilishdi. 15Z holati, masalan, AnPixJg2 (PDB ID 3W2Z) (60, 61), AnPixJg2_BV4 (5ZOH) (37), NpR6012g4 (6BHN) (62) va slr1393g3 (5DFX) (63). Bu tuzilmalarning barchasida xromofor markaziy b-varaq (b1-b6 iplari) va a3 va a4 spirallari o'rtasida joylashgan bo'lib, "orqa" a1, a2 va a5 spirallari markaziy b- ning qarama-qarshi tomoniga o'ralgan. varaq (SI ilovasi, S4 -rasmA). JSC1_58120g3 b4 ipi va spiral a4 o'rtasida tasodifiy lasan tuzilishini (g'ishtli qizil o'q, SI ilovasi, S4-rasmA) va b4 va spiral a5 zanjirlariga qarshi to'planadi, lekin bu pastadir xususiyati yangi frCBCR avlodida saqlanmagan. JSC1_58120g3 da b3 ipidan oldingi kichik halqa yo'q (yashil o'q, SI ilovasi, S4 -rasmA) boshqa ma'lum XRG CBCR tuzilmalarida mavjud.

Shuni ham ta'kidlash kerakki, JSC1_58120g3 tuzilmalaridagi xromofor qismlari AnPixJg2 ga nisbatan o'zgargan elektron zichligini A pirol halqasining C2 va C3 uchburchaklar tekislik geometriyasiga mos ravishda va 2,3 -juft bog'lanishning mavjudligi bilan ajralib turadi. 2 -rasm A va B). Bu AnPixJg2 PCB qo'shimchasidagi tetraedral geometriyadan farq qiladi (2 -rasm). C va K). Elektron zichligi shuni ko'rsatadiki, xromofor Cys636 ga ikkala tuzilishdagi C3 1 uglerodiga tioeter aloqasi orqali ulanadi (2 -rasm). A, B, Men, va J). Bu AnPixJg2_BV4 strukturasida ko'rilgan BV ga C3 2 tioeter biriktirilishidan farq qiladi (2-rasm). D va L) (37) va BV xromoforlari bo'lgan BphPs va CBCRlarning aksariyat tuzilmalarida (64 ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ -69). Ma'lum bo'lgan istisnolar orasida C3 1 -C3 2 qo'sh aloqasi bilan BV ning C3 1 biriktirilishini va shunga o'xshash variantni ko'rsatadigan NpR3784 ning ishlab chiqilgan floresan varianti kiradi. Rhodopseudomonas palustris BV ning C3 1 va C3 2 bilan tioeter bog'lanishiga ega bo'lgan BphP1 (24, 38).

JSC1_58120g3 kristall tuzilmalari. (AD) PcyA bilan ifodalangan JSC1_58120g3 uchun Chromophore A-ring modellari va elektron zichligi (A) yoki HY2 bilan (B), AnPixJg2 ning PCB qo'shimchasi (C) va AnPixJg2_BV4 ning BV qo'shilishi (D). (E.H) Chromophore D-ring modellari va elektronlarning zichligi ko'rsatilganidek ko'rsatilgan AD. (Qo'shimchalar ichida E.H) C19-C18-C18 1 -C18 2 burchakli burchaklar. (MenL) Dan aniqlangan xromofor qo'shimchalarning kimyoviy tasvirlari AH. (M) Spiral a4 va xromofor pozitsiyasining siljishi tasvirlangan hizalamalar. Proteinli zanjir tasma ko'rinishida Pro591 va Thr292 yon zanjirlari bilan bo'shliqni to'ldiruvchi sharlar sifatida tasvirlangan. JSC1_58120g3-DHBV g'isht qizil, AnPixJg2 ko'k, JSC1_58120g3-BV to'q qizil va AnPixJg2_BV4 ko'mir. DPYLoar saqlagan qoldiqlari qizil ikra tarkibida uglerodli atom bilan bo'yalgan. XRG saqlangan qoldiqlari ochiq kul rangda uglerodli atom bilan bo'yalgan. (N) XRG saqlangan b6 qoldiqlari bilan BV xromofor D halqasining yo'nalishi (Chapda) yoki DPYLoar saqlangan b6 qoldiqlari (To'g'ri). (O) AnPixJg2_BV4 dagi xromofor tuzilishi va oqsil aloqalari. Quyidagi kabi rangli Mva AmBV4 saqlangan qoldiqlari binafsha rangda uglerodli atom bilan bo'yalgan. Suv molekulalari qizil shar shaklida tasvirlangan. (P) JSC1_58120g3-DHBV da xromofor tuzilishi va ekvivalent oqsil kontaktlari.

JSC1_58120g3 ning ikkita tuzilishi C18 yon zanjirlarining geometriyasida farqlarni ko'rsatadi. PCB bilan ifodalangan oqsil uchun C19-C18-C18 1 -C18 2 dihedral burchagi 76,1 ° ga teng (2-rasm).E.), C18 pozitsiyasida AnPixJg2 xromoforiga o'xshash etil guruhining mavjudligini ko'rsatadi (2 -rasm).G). PPH ifoda tizimidan olingan kristaldagi C19-C18-C18 1 -C18 2 ikkiburchak burchak atigi 28,4° ni tashkil qiladi (2-rasm).F), C18 pozitsiyasida AnPixJg2_BV4 xromoforidagi kabi vinil o'rnini bosuvchi moddasi borligiga mos keladi (2 -rasm).H). A-ring geometriyasi bilan birgalikda olingan ushbu ma'lumotlar 18 1,18 2 –DHBV va BV PCB va PPH emas, balki JSC1_58120g3 da tegishli kovalent bilin qo'shimchalarining kashshoflari bo'lgan degan xulosani qo'llab-quvvatlaydi (2-rasm). MenL). Bu natija hayratlanarli, chunki 18 1 ,18 2 –DHBV va BV ning ko‘proq oksidlanganligi phycobilin mahsulotlari PCB va PPH ga nisbatan kichik miqdorda bo‘lishi kutilmoqda, chunki 18 1,18 2 –DHBV vaqtinchalik oraliq mahsulotdir. BV ning PCB ga PcyA tomonidan konvertatsiyasi (50, 51) va BV HY2 tomonidan PPH ga aylantirilgunga qadar gemoksigenaza bilan qattiq bog'langanligi sababli (SI ilovasi, S1 -rasmA). Shunday qilib, JSC1_58120g3 PCB va PPH ni kamsitadi, ularning biosintetik prekursorlarini afzal ko'radi. JSC1_58120g3, Mic7113_1903g4 va AFZ15460g4 ning denatüratsiyalangan spektrlari o'rtasidagi o'xshashlik (SI ilovasi, S3-rasm E. va F) bu xatti -harakat frCBCR avlodining saqlanib qolgan xususiyati ekanligini ko'rsatadi.

Saqlangan elementlar Chromophore bilan to'g'ridan -to'g'ri o'zaro ta'sir qiladi.

X5G8, D590 va H637 (61) ni o'z ichiga olgan XRG CBCR -larda xromoforlarning joylashuvi uchun muhim bo'lgan saqlanib qolgan qoldiqlar, hammasi ham1A51_58120g3 tuzilmalarida xromofor bilan odatdagi o'zaro ta'sirni saqlaydi.SI ilovasi, S5-rasm A va B). XRG CBCRlarning saqlanib qolgan b6 tirozini JSC1_58120g3 da Phe667 bilan almashtiriladi. Tirozin fenolik qismi odatda D halqali karbonil bilan o'zaro ta'sir qiladi (37, 61 ⇓ –63), lekin buning o'rniga JSC1_58120g3 Ser665 D-halqasining boshqa yuzasidan ham shunday ta'sir o'tkazadi (2-rasm).N). Ser665 va Phe667 JSC1_58120g3 klasterida saqlanadi (SI ilovasi, S2 -rasmA). Spiral a4 tarkibida Cys636 kanonik xromofor biriktiruvchi qoldiq mavjud. Both this helix and the covalently attached chromophore are substantially shifted in both JSC1_58120g3 structures relative to AnPixJg2, AnPixJg2_BV4 (Fig. 2M), and slr1393g3 (SI ilovasi, Fig. S4 A va B). This shift causes the JSC1_58120g3 chromophores to sit at an angle in the binding pocket relative to the chromophores in AnPixJg2 and AnPixJg2_BV4, and to a lesser extent relative to that in slr1393g3. Relative to AnPixJg2, the chromophore in both JSC1_58120g3 structures is shifted such that the D-ring is closer to the central β-sheet, similar to the chromophores in AnPixJg2_BV4 and slr1393g3 (SI ilovasi, Fig. S4B). Valine (JSC1_58120g3, AnPixJg2_BV4) or threonine (slr1393g3) residues on β5 appear to accommodate this shift toward the β-sheet (Fig. 2 O va P va SI ilovasi, Fig. S5H), compared to a bulkier isoleucine in AnPixJg2 and many other XRG CBCRs. The overall shift in chromophore and helix α4 appears to correlate with another conserved residue in this cluster, Pro591. Structural superpositions indicate that Pro591 would clash with the chromophore A-rings were it present in AnPixJg2 and AnPixJg2_BV4 (Fig. 2M). Similarly, aligning the C3 2 -linked BV from AnPixJg2_BV4 into JSC1_58120g3 would result in a clash between Pro591 and the A-ring as well as clashes between β5 and β6 residues and the D-ring (SI ilovasi, Fig. S4 CF).

Closer inspection of Pro591 reveals that it contributes to a reduced binding pocket width surrounding the A-ring. In JSC1_58120g3 structures, there is a 7.1- or 7.4-Å gap, compared with 8.6 Å in AnPixJg2 with PCB adduct or 7.9 Å in AnPixJg2_BV4 (Fig. 3 AD). We reasoned that such a restricted binding pocket could provide a structural basis for preventing phycobilin chromophore incorporation due to the bulkier A-rings of PCB and PΦB caused by tetrahedral geometry at C2 and C3 (Fig. 2K). To test this, we used site-directed mutagenesis to replace Pro591 with Thr, the equivalent residue in AnPixJg2. P591T variant of JSC1_58120g3 readily incorporated chromophore when expressed with PcyA and exhibited a substantially blue-shifted R/O photocycle compared to wild type (WT) (Fig. 3E.). Denatured difference spectra for this variant closely resembled PCB and were distinct from WT JSC1_58120g3 expressed with PcyA (Fig. 3F). Likewise, P591T JSC1_58120g3 expressed with HY2 exhibited a blue-shifted R/O photocycle relative to wild-type and denatured spectra resembled PΦB (Fig. 3 F va G). Both P591T preparations retained FR shoulders in their native spectra (Fig. 3 E. va G), probably indicating residual verdin chromophore(s). In P591T expressed with HY2, the FR shoulder is substantial enough to extract separate PΦB and BV populations from the native difference spectra (Fig. 3H). Together, these results indicate that Pro591 is necessary for phycobilin exclusion in this lineage, but not for verdin affinity. Based on the Asp-Pro-Tyr-Leu consensus sequence of the motif containing this proline and the preference of these CBCRs for verdin chromophores with “oxidized A-rings (oar),” we designate this lineage “DPYLoar.”

Phycobilin exclusion by Pro591. (AD) View of the A-ring–binding pocket and nearby residues with opening width labeled for JSC1_58120g3-DHBV (A), JSC1_58120g3-BV (B), AnPixJg2 (C), and AnPixJg2_BV4 (D). Mainchain is depicted in ribbon view with Pro591/Thr292, chromophore, and primary cysteine represented as space-filling spheres. Coloring as in Fig. 2. (E.) Dark-adapted 15Z (blue) and photoproduct 15E (orange) absorbance spectra are shown for P591T JSC1_58120g3 expressed with PcyA. Arrowhead denotes FR shoulder. (F) Stacked 15Z-15E difference spectra for denatured proteins compare P591T and WT JSC1_58120g3 to standards for PCB adduct (NpR6012g4) and PΦB adduct (NpR5113g2). (G) Spectra are shown for P591T JSC1_58120g3 expressed with HY2 as in E.. (H) Native 15Z-15E difference spectra for P591T-PCB (violet) and estimated P591T-PΦB (bronze) and P591T-BV (pink) populations.

Distinct Mechanisms for BV Binding in AmBV4 and DPYLoar Families.

Four residues conserved within the AmBV4 lineage are sufficient to confer BV affinity to multiple XRG CBCRs (37). The full set of four residues (Tyr293, Thr308, Tyr318, Val336 in AnPixJg2_BV4, Fig. 2O) was determined to be essential for efficient incorporation of BV into a model red/green CBCR, yet DPYLoar CBCRs retain only two of these residues (Tyr592 and Val651 in JSC1_58120g3: Fig. 2P). The other residues are equivalent to Phe607 and Leu633. Introduction of Val336 or Val651 relative to canonical red/green CBCRs replaces larger Ile/Leu residues, apparently accommodating the shift of the chromophore toward the β-sheet in both lineages. However, the remaining three positions appear to perform divergent roles in DPYLoar and AmBV4 CBCRs. Tyr293 in AnPixJg2_BV4 forms only hydrophobic interactions with the chromophore B-ring, while Tyr592 in JSC1_58120g3 forms a water-mediated polar contact with the C-ring propionate.

The C-ring propionate in both JSC1_58120g3 structures maintains an orientation orthogonal to the C-ring plane, as in BV in AnPixJg2_BV4, but the propionate is positioned on the α-face rather than the β-face of the chromophore. The C-ring propionate positioning in JSC1_58120g3 is tethered by direct and water-mediated polar contacts to both sidechain and backbone of Arg600 and also by a water-mediated polar contact to the sidechain of Tyr592 (Fig. 2P) the resulting conformation removes a potential clash with Phe607 or interaction with Leu633, negating the apparent roles of Thr308 and Tyr318 in AnPixJg2_BV4 (Fig. 2O). Phe607 is shifted toward the chromophore relative to the position of Phe308 in AnPixJg2 and occupies some of the space vacated by the C-ring propionate (SI ilovasi, Fig. S5 CF). This movement may be influenced by a water molecule that inserts between β5 and the loop preceding β4. The backbone of Ala653, conserved in DPYLoars and found on β5, coordinates this water and replaces a proline conserved in XRG CBCRs (SI ilovasi, Fig. S5 CF). This alters the position of β4, pushing Phe607 closer to the chromophore. Two nearby Tyr residues on α3 and β5 that are broadly conserved in XRG CBCRs are replaced in DPYLoar CBCRs with Phe601 and Cys649, perhaps to alleviate clashes with repositioned Phe607. Notably, the arrangement of the chromophore and some surrounding residues in JSC1_58120g3 structures appears to be most similar to the red-absorbing 15Z state structure of slr1393g3 (SI ilovasi, Figs. S4B and S5 G va H). Given that slr1393g3 is intermediate between AnPixJg2 and DPYLoars in the current phylogeny (SI ilovasi, Fig. S2B), this suggests that some of the observed structural rearrangements relative to AnPixJg2 were acquired before the transition to phycobilin exclusion.

An additional set of conserved DPYLoar residues is distal to the chromophore, but they apparently form a lineage-specific interaction network. Arg654, Asp566, Tyr567, and Asp570 (on strands β1–2) and Glu589, Asn594, and Gln602 (preceding and within helix α3) form a network of polar contacts that link the two regions together in a manner not seen in other CBCR structures (SI ilovasi, Fig. S6 A va B). These interactions pack around Phe568, another conserved DPYLoar residue that replaces smaller Ser/Thr residues commonly found in XRG CBCRs. This locks Phe568 in a strained backbone configuration and orients the sidechain as a prop against the phycobilin-excluding Pro591 residue. The conserved nature of many of these residues and their positioning in proximity to Pro591 implicate a potential supporting role in phycobilin exclusion or in chromophore incorporation generally.


  • Catalysis
  • Molekulyar biologiya
  • Spektroskopiya
  • Computer Science Applications
  • Physical and Theoretical Chemistry
  • Organik kimyo
  • Inorganic Chemistry
  • APA
  • Standart
  • Garvard
  • Vankuver
  • Muallif
  • BIBTEX
  • RIS

Research output : Contribution to journal › Review article › peer-review

T1 - Bacterial phytochromes, cyanobacteriochromes and allophycocyanins as a source of near-infrared fluorescent probes

AU - Verkhusha, Vladislav V.

N1 - Funding Information: This work was supported by grants R35 GM122567, U01 NS099573 and U01 NS103573 from the US National Institutes of Health ERC-2013-ADG-340233 from the EU FP7 program and 263371 and 266992 from the Academy of Finland. Publisher Copyright: © 2017 by the authors. Licensee MDPI, Basel, Switzerland.

N2 - Bacterial photoreceptors absorb light energy and transform it into intracellular signals that regulate metabolism. Bacterial phytochrome photoreceptors (BphPs), some cyanobacteriochromes (CBCRs) and allophycocyanins (APCs) possess the near-infrared (NIR) absorbance spectra that make them promising molecular templates to design NIR fluorescent proteins (FPs) and biosensors for studies in mammalian cells and whole animals. Here, we review structures, photochemical properties and molecular functions of several families of bacterial photoreceptors. We next analyze molecular evolution approaches to develop NIR FPs and biosensors. We then discuss phenotypes of current BphP-based NIR FPs and compare them with FPs derived from CBCRs and APCs. Lastly, we overview imaging applications of NIR FPs in live cells and in vivo. Our review provides guidelines for selection of existing NIR FPs, as well as engineering approaches to develop NIR FPs from the novel natural templates such as CBCRs.

AB - Bacterial photoreceptors absorb light energy and transform it into intracellular signals that regulate metabolism. Bacterial phytochrome photoreceptors (BphPs), some cyanobacteriochromes (CBCRs) and allophycocyanins (APCs) possess the near-infrared (NIR) absorbance spectra that make them promising molecular templates to design NIR fluorescent proteins (FPs) and biosensors for studies in mammalian cells and whole animals. Here, we review structures, photochemical properties and molecular functions of several families of bacterial photoreceptors. We next analyze molecular evolution approaches to develop NIR FPs and biosensors. We then discuss phenotypes of current BphP-based NIR FPs and compare them with FPs derived from CBCRs and APCs. Lastly, we overview imaging applications of NIR FPs in live cells and in vivo. Our review provides guidelines for selection of existing NIR FPs, as well as engineering approaches to develop NIR FPs from the novel natural templates such as CBCRs.