한국미생물학회 2005년도 International Meeting of the Microbiological Society of Korea
/
pp.64-66
/
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.
To investigate the visual and extra-ocular photoreception, we cloned the opsin genes in ayu (Plecoglossus allivelis). Amplified fragments encoding exon-4 (-5) of opsin cDNAs were cloned from the retina and brains of ayu, and sequenced. One clone was identified as rod (AYU-Rh), two as green cone (AYU-GI, -G2), one as red cone (A YU-R), two as ultraviolet cone (AYU-UVl, UV2), one as VA (AYU-VA), and one as extra-ocular rod (AYU-ExoRh) opsins. 335 amino acids sequence deduced from the full-length cDNA of AYU-Rh showed high identity with that of other fish. Southern blotting analysis indicated that ayu possess two 'rhodopsin' genes, one is visual rhodopsin and the other is non-visual extra-ocular rhodopsin. In situ hybridization showed that the mRNA of AYU-Rh was localized only in rod cells in the retina. On the other hands, AYU-ExoRh was expressed only in the pineal. We cloned two isoforms (AYU-VAM and -VAL) of VA opsin from ayu. The deduced amino acid sequences of these variants were identical to each other within the first 342 residues, but they showed divergence in the C-terminal sequence. AYU- VAL corresponded to the long isoform found in other fish, and AYU-VAM was identified as a new type of VA opsin variant. Pal-VAM is a new probably functional non-visual photoreceptive molecule in fish.
Rhodopsins belong to a family of membrane-embedded photoactive retinylidene proteins. One opsin gene was isolated from ${\beta}$-proteobacterium (IMCC9480) which had been collected at the North Pole. It is very similar to Xanthorhodopin (XR) of HTCC2181. In this study, we carried out basic characterization of the rhodopsin. It has ${\lambda}max$ of 536, 554, and 546 nm at pH 4.0, 7.0, and 10.0, respectively. Since the pKa of its proton acceptor is around 6.27, we measured its proton pumping activity and photocycling rate at pH 8.0. It has a typical proton acceptor (D99) and donor (E110) which mediate proton translocation from intracellular to extracellular region when deduced from the sequence alignments. On the basis of in vitro proton pumping activity, it was proposed to have fast photocycling rate with M and O intermediates, indicating that it is a typical ion-pumping rhodopsin. Since the XR has not yet been expressed in any other heterologous expression system, we tried to get much more information about the XR through the XR-homologue rhodopsin.
Microbial rhodopsins are a superfamily of photoactive membrane proteins with the covalently bound retinal cofactor. Isomerization of the retinal chromophore upon absorption of a photon triggers conformational changes of the protein to function as ion pumps or sensors. After the discovery of proteorhodopsin in an uncultivated γ-proteobacterium, light-activated proton pumps have been widely detected among marine bacteria and, together with chlorophyll-based photosynthesis, are considered as an important axis responsible for primary production in the biosphere. Rhodopsins and related proteins show a high level of phylogenetic diversity; we focus on a specific class of bacterial rhodopsins containing the '3 omega motif.' This motif forms a stack of three non-consecutive aromatic amino acids that correlates with the B-C loop orientation and is shared among the phylogenetically close ion pumps such as the NDQ motif-containing sodium-pumping rhodopsin, the NTQ motif-containing chloride-pumping rhodopsin, and some proton-pumping rhodopsins including xanthorhodopsin. Here, we reviewed the recent research progress on these 'omega rhodopsins,' and speculated on their evolutionary origin of functional diversity.
광수용기에서 특이적 발현을 유도하는 로돕신 유전자에 존재하는 다양한 점 돌연변이 의해서 일반적으로 색소성 망막염을 초래한다. 이 질병의 측징은 광수용기 세포의 퇴화로 인한 광수용기의 기능상실을 초래하고, 결과적으로 시각상실을 유발한다. 로돕신 유전자는 광수용기의 바깥분절에 존재하며, 빛 에너지를 흡수하여, 시각반응을 야기한다. 본 실험에 사용된 로돕신 유전자는 총 12.5kb의 돼지 로돕신 게놈 유전자로서, 망막에서 특이발현을 유도하는 4kb의 프로모터, 돌연변이를 지닌 5.6kb의 유전자, 그리고 poly A site로 구성되어 있다. 호르몬 투여에 의해 과배란이 유기된 C57BL/6J 생쥐 난자의 웅성전핵에 미세주입법에 의해 도입한 후, 위임신한 생쥐의 난관에 이식하였다. 그 결과 태어난 산자로부터 돌연변이 로돕신 유전자를 지닌 6마리의 형질전환동물을 PCR과 Southern blot analysis를 통하여 확인할 수 있었다. 또한, 이 형질전환 동물들은 로돕신 유전자를 그 자손에게 안정적으로 전달하는 것을 확인하였다. 본 연구는 광수용기 퇴화의 원인규명 및 치료방법을 연구하기 위하여 돌연변이를 지닌 질환모델동물을 생산하는데 있다. 이들 형질전환 동물은 로돕신 유전자의 돌연변이에 의해 야기되는 시각상실의 기전에 관한 연구와 사람의 장님을 치료하기 위한 질환모델동물로서 유용하게 이용될 것이다.
세포막 단백질 중 가장 큰 family를 형성하는 G protein-coupled receptor (GPCR)는 세포 외부의 다양한 신호를 세포 내 G 단백질의 활성화를 통하여 전달한다. 외부 신호자극이 없는 조건에서도 활성을 나타내는 항활성 돌연변이(constitutively active mutants, CAM)는 GPCR 신호전달 이상으로 인한 질병 치료나 GPCR의 활성화 구조연구에 좋은 대상이다. 본 연구는 시각수용체 로돕신에서 약한 항활성을 보이는 CAM의 하나인 E134Q/M257Y를 대상으로, inverse agonist와 agonist 존재 하에서 형성하는 두 가지 chromophore의 특성을 연구하였다. 이 CAM은 11-cis-retinal과 all-trans-retinal 존재 하에서 각기 최대흡광도가 500 nm와 380 nm인 로돕신을 형성한다. 두 가지 retinal을 다양한 비로 혼합한 조건과 연속적으로 결합하는 조건 하에서 각 형태의 로돕신 형성을 조사한 결과 E134Q/M257Y mutant는 11-cis-retinal과 우선적으로 결합함을 보여준다. E134Q/M257Y mutant는 wild type 옵신에 비해 11-cis-retinal에 대한 친화도는 별다른 차이가 없으나 옵신과 로돕신 상태의 안정성이 낮음이 확인되었다. 본 연구 결과는 GPCR의 활성화 시 일어나는 부분적 구조변화에 대한 정보를 제공하고, 구조정보에 기반한 GPCR신호를 미세하게 조절하는 물질의 발굴이나 개발에 유용하게 이용될 것이다.
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.
The avian pineal as well as the retina has been known to contain several types of photoreceptors with different visual pigments such as rhodopsin, iodopsin and the pineal specific opsin, pinopsin. These organs are also known to have circadian clock to regulate melatonin production. Exposure of animals to light causes a decline of the melatonin level and the phase shifts of melatonin rhythms in the pineal and retina. Therefore, the circadian clock system of these organs seem to consist of three elements, i.e., light input, oscillator and melatonin output systems. In birds, it was suggested that rhodopsin might be involved in the entrainment of pineal melatonin rhythms from the action spectrum experiment for controlling NAT activity rhythms. However, there are much more pinopsin-immunoreactive (Pino-IR) cells than rhodopsin (Rho-IR) and iodopsin (Iodo-IR) cells in the avian pineal. We found that Pino-IR cells appeared earlier embryonic stages than Rho-IR and Iodo-IR cells. So, we tried to identify the visual pigments involved in the circadian melatonin rhythms in the pineal and retina. Organ cultured pineals were exposed to monochromatic light to find out which opsin participates in regulation of melatonin rhythms. The action spectra showed a peak at 475nm, suggesting that pinopsin is the major photopigment to regulate melatonin production in birds.
Zinc plays a key role in genetic expression, cell division, and cell growth and is essential for the functions of more than 450 metalloenzyme. There are high concentrations of zinc in pigment epithelium in bullfrog eye. Zinc deficiency causes night blindness and abnormal dark adaptation. The purpose of this study was to identify ERG (electroretinogram) b-wave sensitivity during light and dark adaptation in bullfrog retina after zinc and zinc chelators treatment such as histidine and TSQ (N-(6-methoxy-8-qunolyl)-p-toluenesulfon amide). Especially, we focused whether histidine act as a zinc chelator in the Muller cell. The results of our study are summarized as follows: 1) Both zinc and histidine elevated ERG b-wave amplitude and threshold in Muller cells by accelerating rhodopsin regeneration time and increased a-peak absorbance during light adaptation. 2) TSQ reduced those by prolonging rhodopsin regeneration time and decrement of a-peak absorbance during light adaptation. 3) Zinc shortened rhodopsin regeneration time and prolonged a-peak absorbance. These results suggested that histidine may act as a zinc-mediated transporter in presynaptic Muller cell membrane rather than zinc chelator and acts as a GABA-receptor inhibitor which blocks $Cl^-$ influx to the postsynapse.
본 웹사이트에 게시된 이메일 주소가 전자우편 수집 프로그램이나
그 밖의 기술적 장치를 이용하여 무단으로 수집되는 것을 거부하며,
이를 위반시 정보통신망법에 의해 형사 처벌됨을 유념하시기 바랍니다.
[게시일 2004년 10월 1일]
이용약관
제 1 장 총칙
제 1 조 (목적)
이 이용약관은 KoreaScience 홈페이지(이하 “당 사이트”)에서 제공하는 인터넷 서비스(이하 '서비스')의 가입조건 및 이용에 관한 제반 사항과 기타 필요한 사항을 구체적으로 규정함을 목적으로 합니다.
제 2 조 (용어의 정의)
① "이용자"라 함은 당 사이트에 접속하여 이 약관에 따라 당 사이트가 제공하는 서비스를 받는 회원 및 비회원을
말합니다.
② "회원"이라 함은 서비스를 이용하기 위하여 당 사이트에 개인정보를 제공하여 아이디(ID)와 비밀번호를 부여
받은 자를 말합니다.
③ "회원 아이디(ID)"라 함은 회원의 식별 및 서비스 이용을 위하여 자신이 선정한 문자 및 숫자의 조합을
말합니다.
④ "비밀번호(패스워드)"라 함은 회원이 자신의 비밀보호를 위하여 선정한 문자 및 숫자의 조합을 말합니다.
제 3 조 (이용약관의 효력 및 변경)
① 이 약관은 당 사이트에 게시하거나 기타의 방법으로 회원에게 공지함으로써 효력이 발생합니다.
② 당 사이트는 이 약관을 개정할 경우에 적용일자 및 개정사유를 명시하여 현행 약관과 함께 당 사이트의
초기화면에 그 적용일자 7일 이전부터 적용일자 전일까지 공지합니다. 다만, 회원에게 불리하게 약관내용을
변경하는 경우에는 최소한 30일 이상의 사전 유예기간을 두고 공지합니다. 이 경우 당 사이트는 개정 전
내용과 개정 후 내용을 명확하게 비교하여 이용자가 알기 쉽도록 표시합니다.
제 4 조(약관 외 준칙)
① 이 약관은 당 사이트가 제공하는 서비스에 관한 이용안내와 함께 적용됩니다.
② 이 약관에 명시되지 아니한 사항은 관계법령의 규정이 적용됩니다.
제 2 장 이용계약의 체결
제 5 조 (이용계약의 성립 등)
① 이용계약은 이용고객이 당 사이트가 정한 약관에 「동의합니다」를 선택하고, 당 사이트가 정한
온라인신청양식을 작성하여 서비스 이용을 신청한 후, 당 사이트가 이를 승낙함으로써 성립합니다.
② 제1항의 승낙은 당 사이트가 제공하는 과학기술정보검색, 맞춤정보, 서지정보 등 다른 서비스의 이용승낙을
포함합니다.
제 6 조 (회원가입)
서비스를 이용하고자 하는 고객은 당 사이트에서 정한 회원가입양식에 개인정보를 기재하여 가입을 하여야 합니다.
제 7 조 (개인정보의 보호 및 사용)
당 사이트는 관계법령이 정하는 바에 따라 회원 등록정보를 포함한 회원의 개인정보를 보호하기 위해 노력합니다. 회원 개인정보의 보호 및 사용에 대해서는 관련법령 및 당 사이트의 개인정보 보호정책이 적용됩니다.
제 8 조 (이용 신청의 승낙과 제한)
① 당 사이트는 제6조의 규정에 의한 이용신청고객에 대하여 서비스 이용을 승낙합니다.
② 당 사이트는 아래사항에 해당하는 경우에 대해서 승낙하지 아니 합니다.
- 이용계약 신청서의 내용을 허위로 기재한 경우
- 기타 규정한 제반사항을 위반하며 신청하는 경우
제 9 조 (회원 ID 부여 및 변경 등)
① 당 사이트는 이용고객에 대하여 약관에 정하는 바에 따라 자신이 선정한 회원 ID를 부여합니다.
② 회원 ID는 원칙적으로 변경이 불가하며 부득이한 사유로 인하여 변경 하고자 하는 경우에는 해당 ID를
해지하고 재가입해야 합니다.
③ 기타 회원 개인정보 관리 및 변경 등에 관한 사항은 서비스별 안내에 정하는 바에 의합니다.
제 3 장 계약 당사자의 의무
제 10 조 (KISTI의 의무)
① 당 사이트는 이용고객이 희망한 서비스 제공 개시일에 특별한 사정이 없는 한 서비스를 이용할 수 있도록
하여야 합니다.
② 당 사이트는 개인정보 보호를 위해 보안시스템을 구축하며 개인정보 보호정책을 공시하고 준수합니다.
③ 당 사이트는 회원으로부터 제기되는 의견이나 불만이 정당하다고 객관적으로 인정될 경우에는 적절한 절차를
거쳐 즉시 처리하여야 합니다. 다만, 즉시 처리가 곤란한 경우는 회원에게 그 사유와 처리일정을 통보하여야
합니다.
제 11 조 (회원의 의무)
① 이용자는 회원가입 신청 또는 회원정보 변경 시 실명으로 모든 사항을 사실에 근거하여 작성하여야 하며,
허위 또는 타인의 정보를 등록할 경우 일체의 권리를 주장할 수 없습니다.
② 당 사이트가 관계법령 및 개인정보 보호정책에 의거하여 그 책임을 지는 경우를 제외하고 회원에게 부여된
ID의 비밀번호 관리소홀, 부정사용에 의하여 발생하는 모든 결과에 대한 책임은 회원에게 있습니다.
③ 회원은 당 사이트 및 제 3자의 지적 재산권을 침해해서는 안 됩니다.
제 4 장 서비스의 이용
제 12 조 (서비스 이용 시간)
① 서비스 이용은 당 사이트의 업무상 또는 기술상 특별한 지장이 없는 한 연중무휴, 1일 24시간 운영을
원칙으로 합니다. 단, 당 사이트는 시스템 정기점검, 증설 및 교체를 위해 당 사이트가 정한 날이나 시간에
서비스를 일시 중단할 수 있으며, 예정되어 있는 작업으로 인한 서비스 일시중단은 당 사이트 홈페이지를
통해 사전에 공지합니다.
② 당 사이트는 서비스를 특정범위로 분할하여 각 범위별로 이용가능시간을 별도로 지정할 수 있습니다. 다만
이 경우 그 내용을 공지합니다.
제 13 조 (홈페이지 저작권)
① NDSL에서 제공하는 모든 저작물의 저작권은 원저작자에게 있으며, KISTI는 복제/배포/전송권을 확보하고
있습니다.
② NDSL에서 제공하는 콘텐츠를 상업적 및 기타 영리목적으로 복제/배포/전송할 경우 사전에 KISTI의 허락을
받아야 합니다.
③ NDSL에서 제공하는 콘텐츠를 보도, 비평, 교육, 연구 등을 위하여 정당한 범위 안에서 공정한 관행에
합치되게 인용할 수 있습니다.
④ NDSL에서 제공하는 콘텐츠를 무단 복제, 전송, 배포 기타 저작권법에 위반되는 방법으로 이용할 경우
저작권법 제136조에 따라 5년 이하의 징역 또는 5천만 원 이하의 벌금에 처해질 수 있습니다.
제 14 조 (유료서비스)
① 당 사이트 및 협력기관이 정한 유료서비스(원문복사 등)는 별도로 정해진 바에 따르며, 변경사항은 시행 전에
당 사이트 홈페이지를 통하여 회원에게 공지합니다.
② 유료서비스를 이용하려는 회원은 정해진 요금체계에 따라 요금을 납부해야 합니다.
제 5 장 계약 해지 및 이용 제한
제 15 조 (계약 해지)
회원이 이용계약을 해지하고자 하는 때에는 [가입해지] 메뉴를 이용해 직접 해지해야 합니다.
제 16 조 (서비스 이용제한)
① 당 사이트는 회원이 서비스 이용내용에 있어서 본 약관 제 11조 내용을 위반하거나, 다음 각 호에 해당하는
경우 서비스 이용을 제한할 수 있습니다.
- 2년 이상 서비스를 이용한 적이 없는 경우
- 기타 정상적인 서비스 운영에 방해가 될 경우
② 상기 이용제한 규정에 따라 서비스를 이용하는 회원에게 서비스 이용에 대하여 별도 공지 없이 서비스 이용의
일시정지, 이용계약 해지 할 수 있습니다.
제 17 조 (전자우편주소 수집 금지)
회원은 전자우편주소 추출기 등을 이용하여 전자우편주소를 수집 또는 제3자에게 제공할 수 없습니다.
제 6 장 손해배상 및 기타사항
제 18 조 (손해배상)
당 사이트는 무료로 제공되는 서비스와 관련하여 회원에게 어떠한 손해가 발생하더라도 당 사이트가 고의 또는 과실로 인한 손해발생을 제외하고는 이에 대하여 책임을 부담하지 아니합니다.
제 19 조 (관할 법원)
서비스 이용으로 발생한 분쟁에 대해 소송이 제기되는 경우 민사 소송법상의 관할 법원에 제기합니다.
[부 칙]
1. (시행일) 이 약관은 2016년 9월 5일부터 적용되며, 종전 약관은 본 약관으로 대체되며, 개정된 약관의 적용일 이전 가입자도 개정된 약관의 적용을 받습니다.