Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ И ХИМИИ 2499-9962 54246 Общая биофизика General biophysics Общая биофизика PROTEORHODOPSINS FROM EXIGUOBACTERIA - NEW MEMBERS OF THE RETINAL PROTEINS FAMILY ПРОТЕОРОДОПСИНЫ EXIGUOBACTERIA - НОВЫЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ СЕМЕЙСТВА РЕТИНАЛЬНЫХ БЕЛКОВ Петровская Л Е Petrovskaya L E lpetr65@yahoo.com Крюкова Е А Kryukova E A Лукашев Е П Lukashev E P Долгих Д А Dolgikh D A Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН ru Shemyakin-Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry, Russian Academy of Sciences ru Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН ru Shemyakin-Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry, Russian Academy of Sciences ru Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова ru M. V. Lomonosov Moscow State University, Biological Department ru Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН; Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова ru Shemyakin-Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry, Russian Academy of Sciences; M. V. Lomonosov Moscow State University, Biological Department ru 25 03 2018 25 03 2018 3 1 63 67 20 03 2018 20 03 2018 https://rusjbpc.ru/en/nauka/article/54246/view

Микробные родопсины - интегральные мембранные белки, которые выполняют светозависимый транспорт протонов и других ионов или сенсорные функции. Они обнаруживаются у архея, бактерий и эукариотических водорослей и включают в себя семь трансмембранных сегментов и хромофор ретиналь. Гены, кодирующие потенциальные ретинальные белки, были выявлены в геномах Грамположительных бактерий Exiguobacterium sibiricum , выделенной из вечномерзлого грунта возрастом 3 млн лет (ESR), термофильной Exiguobacterium AT1b из горячих источников Йеллоустонского Национального парка (ATER) и Exiguobacterium 7-3, также выделенной из многолетнемерзлого грунта (E7_3R). Ранее мы клонировали ген ESR и провели его структурно-функциональную характеристику. Аминокислотная последовательность E7_3R отличается от ESR в семи положениях, а АТЕR - в 39 положениях. Для сравнения свойств ретинальных белков, принадлежащих к близкородственным видам из разных мест обитания, мы экспрессировали ATER и E7_3R в клетках E. coli и исследовали их методом флеш-фотолиза при различных рН. Показано, что фотоцикл ATER и E7_3R отличается от ESR сдвигом рКа образования интермедиата M (депротонированного основания Шиффа) в щелочную область, а также пониженной скоростью его образования. Наблюдаемые различия обсуждаются во взаимосвязи с данными о трехмерной структуре ESR.

Microbial rhodopsins are the integral membrane proteins, which perform light-dependent transport of protons and other ions or sensor functions. They are found in archaea, bacteria and eukaryotic algae and share common heptahelical fold with a retinal chromophore. Potential rhodopsin-encoding genes were identified in the genomes of Gram-positive bacteria Exiguobacterium sibiricum, isolated from 3-million year old permafrost (ESR), the thermophilic Exiguobacterium AT1b from the Yellowstone National Park hot spring (ATER) and Exiguobacterium 7-3 , also isolated from permafrost soil (E7_3R). Previously, we have cloned the ESR gene and performed its structural and functional characterization. Amino acid sequence of E7_3R differs from ESR in seven positions, and ATER - in 39 positions. In order to compare the properties of retinal proteins belonging to closely related species from different environments, we have expressed ATER and E7_3R in E. coli cells and studied them by flash photolysis at different pH. We have shown that the photocycle of ATER and E7_3R differs from that of ESR by the shift of pKa of the M intermediate (the deprotonated Schiff base) formation to more alkaline pH and its reduced rate. The observed differences are discussed in relationship with the data about 3D structure of ESR.

 ретинальный белок протеородопсин Exiguobacterium основание Шиффа акцептор протонов донор протонов фотоцикл retinal protein proteorhodopsin Exiguobacterium Schiff base proton acceptor proton donor photocycle

Oesterhelt D., Stoeckenius W. Functions of a new photoreceptor membrane. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 1973, vol. 70, pp. 2853-2857. Oesterhelt D., Stoeckenius W. Functions of a new photoreceptor membrane. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 1973, vol. 70, pp. 2853-2857. Lanyi J.K. Bacteriorhodopsin. Annu. Rev. Physiol., 2004, vol. 66, pp. 665-688. Lanyi J.K. Bacteriorhodopsin. Annu. Rev. Physiol., 2004, vol. 66, pp. 665-688. Skulachev V.P., Bogachev A.V., Kasparinsky F.O. Bacteriorhodopsin. Principles of Bioenergetics, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2013, pp. 139-156. Skulachev V.P., Bogachev A.V., Kasparinsky F.O. Bacteriorhodopsin. Principles of Bioenergetics, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2013, pp. 139-156. Lanyi J.K. Proton transfers in the bacteriorhodopsin photocycle. Biochim. Biophys. Acta, 2006, vol. 1757, pp. 1012-1018. Lanyi J.K. Proton transfers in the bacteriorhodopsin photocycle. Biochim. Biophys. Acta, 2006, vol. 1757, pp. 1012-1018. Balashov S.P. Protonation reactions and their coupling in bacteriorhodopsin. Biochim. Biophys. Acta (BBA)-Bioenergetics, 2000, vol. 1460, pp. 75-94. Balashov S.P. Protonation reactions and their coupling in bacteriorhodopsin. Biochim. Biophys. Acta (BBA)-Bioenergetics, 2000, vol. 1460, pp. 75-94. Béjà O., Spudich E.N., Spudich J.L., Leclerc M., DeLong E.F. Proteorhodopsin phototrophy in the ocean. Nature, 2001, vol. 411, pp. 786-789. Béjà O., Spudich E.N., Spudich J.L., Leclerc M., DeLong E.F. Proteorhodopsin phototrophy in the ocean. Nature, 2001, vol. 411, pp. 786-789. Brown L.S., Jung K.H. Bacteriorhodopsin-like proteins of eubacteria and fungi: the extent of conservation of the haloarchaeal proton-pumping mechanism. Photochem. Photobiol. Sci., 2006, vol. 5, pp. 538-546. Brown L.S., Jung K.H. Bacteriorhodopsin-like proteins of eubacteria and fungi: the extent of conservation of the haloarchaeal proton-pumping mechanism. Photochem. Photobiol. Sci., 2006, vol. 5, pp. 538-546. Bamann C., Bamberg E., Wachtveitl J., Glaubitz C. Proteorhodopsin. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Bioenergetics, 2014, vol. 1837, pp. 614-625. Bamann C., Bamberg E., Wachtveitl J., Glaubitz C. Proteorhodopsin. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Bioenergetics, 2014, vol. 1837, pp. 614-625. Béjà O., Aravind L., Koonin E.V., Suzuki M.T., Hadd A., Nguyen L.P., Jovanovich S.B., Gates C.M., Feldman R.A., Spudich J.L., Spudich E.N., DeLong E.F. Bacterial rhodopsin: Evidence for a new type of phototrophy in the sea. Science, 2000, vol. 289, pp. 1902-1906. Béjà O., Aravind L., Koonin E.V., Suzuki M.T., Hadd A., Nguyen L.P., Jovanovich S.B., Gates C.M., Feldman R.A., Spudich J.L., Spudich E.N., DeLong E.F. Bacterial rhodopsin: Evidence for a new type of phototrophy in the sea. Science, 2000, vol. 289, pp. 1902-1906. Rodrigues D.F., Goris J., Vishnivetskaya T., Gilichinsky D., Thomashow M.F., Tiedje J.M. Characterization of Exiguobacterium isolates from the Siberian permafrost. Description of Exiguobacterium sibiricum sp. nov, Extremophiles, 2006, vol. 10, pp. 285-294. Rodrigues D.F., Goris J., Vishnivetskaya T., Gilichinsky D., Thomashow M.F., Tiedje J.M. Characterization of Exiguobacterium isolates from the Siberian permafrost. Description of Exiguobacterium sibiricum sp. nov, Extremophiles, 2006, vol. 10, pp. 285-294. Petrovskaya L.E., Lukashev E.P., Chupin V.V., Sychev S.V., Lyukmanova E.N., Kryukova E.A., Ziganshin R.H., Spirina E.V., Rivkina E.M., Khatypov R.A., Erokhina L.G., Gilichinsky D.A., Shuvalov V.A., Kirpichnikov M.P. Predicted bacteriorhodopsin from Exiguobacterium sibiricum is a functional proton pump. FEBS Lett., 2010, vol. 584, pp. 4193-4196. Petrovskaya L.E., Lukashev E.P., Chupin V.V., Sychev S.V., Lyukmanova E.N., Kryukova E.A., Ziganshin R.H., Spirina E.V., Rivkina E.M., Khatypov R.A., Erokhina L.G., Gilichinsky D.A., Shuvalov V.A., Kirpichnikov M.P. Predicted bacteriorhodopsin from Exiguobacterium sibiricum is a functional proton pump. FEBS Lett., 2010, vol. 584, pp. 4193-4196. Balashov S.P., Petrovskaya L.E., Lukashev E.P., Imasheva E.S., Dioumaev A.K., Wang J.M., Sychev S.V., Dolgikh D.A., A.B. Rubin, M.P. Kirpichnikov, Lanyi J.K. Aspartate-histidine interaction in the retinal schiff base counterion of the light-driven proton pump of Exiguobacterium sibiricum. Biochemistry, 2012, vol. 51, pp. 5748-5762. Balashov S.P., Petrovskaya L.E., Lukashev E.P., Imasheva E.S., Dioumaev A.K., Wang J.M., Sychev S.V., Dolgikh D.A., A.B. Rubin, M.P. Kirpichnikov, Lanyi J.K. Aspartate-histidine interaction in the retinal schiff base counterion of the light-driven proton pump of Exiguobacterium sibiricum. Biochemistry, 2012, vol. 51, pp. 5748-5762. Balashov S.P., Petrovskaya L.E., Imasheva E.S., Lukashev E.P., Dioumaev A.K., Wang J.M., Sychev S.V., Dolgikh D.A., Rubin A.B., Kirpichnikov M.P., Lanyi J.K. Breaking the carboxyl rule: lysine 96 facilitates reprotonation of the Schiff base in the photocycle of a retinal protein from Exiguobacterium sibiricum. J. Biol. Chem., 2013, vol. 288, pp. 21254-21265. Balashov S.P., Petrovskaya L.E., Imasheva E.S., Lukashev E.P., Dioumaev A.K., Wang J.M., Sychev S.V., Dolgikh D.A., Rubin A.B., Kirpichnikov M.P., Lanyi J.K. Breaking the carboxyl rule: lysine 96 facilitates reprotonation of the Schiff base in the photocycle of a retinal protein from Exiguobacterium sibiricum. J. Biol. Chem., 2013, vol. 288, pp. 21254-21265. Gushchin I., Chervakov P., Kuzmichev P., Popov A.N., Round E., Borshchevskiy V., Ishchenko A., Petrovskaya L., Chupin V., Dolgikh D.A., Arseniev A.S., Kirpichnikov M., Gordeliy V. Structural insights into the proton pumping by unusual proteorhodopsin from nonmarine bacteria. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 2013, vol. 110, pp. 12631-12636. Gushchin I., Chervakov P., Kuzmichev P., Popov A.N., Round E., Borshchevskiy V., Ishchenko A., Petrovskaya L., Chupin V., Dolgikh D.A., Arseniev A.S., Kirpichnikov M., Gordeliy V. Structural insights into the proton pumping by unusual proteorhodopsin from nonmarine bacteria. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 2013, vol. 110, pp. 12631-12636. Petrovskaya L., Balashov S., Lukashev E., Imasheva E., Gushchin I.Y., Dioumaev A., Rubin A., Dolgikh D., Gordeliy V., Lanyi J. ESR - A retinal protein with unusual properties from Exiguobacterium sibiricum. Biochemistry (Moscow), 2015, vol. 80, pp. 688-700. Petrovskaya L., Balashov S., Lukashev E., Imasheva E., Gushchin I.Y., Dioumaev A., Rubin A., Dolgikh D., Gordeliy V., Lanyi J. ESR - A retinal protein with unusual properties from Exiguobacterium sibiricum. Biochemistry (Moscow), 2015, vol. 80, pp. 688-700.