Опсины: светочувствительные белки и механизм зрения.

Введение

Класс светочувствительных белков — животные опсины.

Животные опсины — это G-белок-связанные рецепторы и группа белков, приобретающих светочувствительность благодаря хромофору, обычно ретиналю. При связывании с ретиналем опсины превращаются в ретинилиденовые белки, но обычно продолжают называться опсинами. Наиболее часто они обнаруживаются в фоторецепторных клетках сетчатки. Пять классических групп опсинов участвуют в зрении, обеспечивая преобразование фотона света в электрохимический сигнал — первый этап в каскаде зрительной трансдукции. Другой опсин, обнаруженный в сетчатке млекопитающих, — меланопсин — участвует в циркадных ритмах и зрачковом рефлексе, но не в зрении. У человека в общей сложности девять опсинов. Помимо зрения и восприятия света, опсины могут также воспринимать температуру, звук или химические вещества.

Структура и функция

Животные опсины обнаруживают свет и являются молекулами, которые позволяют нам видеть. Опсины – это рецепторы, связанные с G-белком (GPCR), являющиеся химиорецепторами и имеющие семь трансмембранных доменов, формирующих связывающий карман для лиганда. Лигандом для опсинов является хромофор 11-цис-ретинал на основе витамина А, который ковалентно связан с лизиновым остатком в седьмом трансмембранном домене через основание Шиффа. Однако 11-цис-ретинал лишь блокирует связывающий карман и не активирует опсин. Опсин активируется только тогда, когда 11-цис-ретинал поглощает фотон света и изомеризуется в все-транс-ретинал – активирующую форму рецептора, вызывая конформационные изменения в опсине. Таким образом, химиорецептор превращается в световой или фоторецептор. В фоторецепторных клетках позвоночных все-транс-ретинал высвобождается и заменяется вновь синтезированным 11-цис-ретиналом, поступающим из эпителиальных клеток сетчатки. Помимо 11-цис-ретиналя (A1), у позвоночных в качестве лиганда также встречается 11-цис-3,4-дидегидроретиналь (A2), например, у пресноводных рыб.

Функционально консервированные остатки и мотивы

Семь трансмембранных α-спиральных доменов в опсинах соединены тремя внеклеточными и тремя цитоплазматическими петлями. Вдоль α-спиралей и петель многие аминокислотные остатки высоко консервативны между всеми группами опсинов, что указывает на их важные функции, и поэтому они называются функционально консервативными остатками. Фактически, вставки и делеции в α-спиралях крайне редки и предпочтительно происходят в петлях. Следовательно, различные рецепторы, связанные с G-белком, имеют разную длину, и гомологичные остатки могут находиться в разных позициях. Чтобы сделать эти позиции сопоставимыми между различными рецепторами, Балестерос и Вайнштейн ввели общую систему нумерации для рецепторов, связанных с G-белком. Число перед точкой обозначает номер трансмембранного домена. Число после точки произвольно установлено равным 50 для наиболее консервативного остатка в этом трансмембранном домене среди ГПЦР, известных в 1995 году. Например, в седьмом трансмембранном домене пролин в высококонсервативном мотиве NPxxY7.53 – это Pro7.50, аспарагин перед ним – Asp7.49, а тирозин через три остатка – Tyr7.53. Структура этих белков была определена. В родопсине крупного рогатого скота этот лизин является 296-й аминокислотой. Тем не менее, большинство опсинов имеют Lys2967.43, некоторые потеряли его в ходе эволюции: в немапсинах нематод Lys2967.43 заменен аргинином. Эти опсины участвуют в механорецепции, такой как слух, обнаружении фосфолипидов, хемосенсорике и других функциях. В частности, рабдомерные опсины (рабопсины, r-опсины) Rh1, Rh4 и Rh7 дрозофилы функционируют не только как фоторецепторы, но и как хеморецепторы аристолохиновой кислоты. Эти опсины по-прежнему содержат Lys2967.43, как и другие опсины. Однако, если этот лизин заменен аргинином в Rh1, то Rh1 теряет светочувствительность, но все еще реагирует на аристолохиновую кислоту. Таким образом, Lys2967.43 не требуется для функционирования Rh1 в качестве хеморецептора. Такая мутация в APxxY7.53 (Asn7.49 → Ala7.49) снижает активацию G-белка родопсина крупного рогатого скота до 45% по сравнению с диким типом. Также в родопсине крупного рогатого скота, если мотив мутирует в NPxxA7.53 (Tyr7.53 → Ala7.53), родопсин крупного рогатого скота не активирует G-белок. Эта мутация также снижает активацию рецептора вазопрессина V2. На самом деле, в рецепторах, связанных с G-белком, известны только мутации, приводящие к потере функции, связанные с Tyr7.53. Мутации Pro7.50 также влияют на активацию G-белка: если мотив мутирует в NAxxY7.53 (Pro7.50 → Ala7.50) в мускариновом рецепторе m3 крысы, рецептор все еще может быть активирован, но менее эффективно, и эта мутация полностью отменяет активацию в рецепторе холецистокинина B. Фактически, RGR-опсины имеют NAxxY7.53, а ретинохромы – VPxxY7.53 для кольчатых червей или YPxxY7.53 для моллюсков в естественном состоянии. И RGR-опсины, и ретинохромы относятся к хромопсинам. Ретинохромы также связывают, в отличие от большинства опсинов, весь транс-ретинал в темноте и преобразуют его в 11-цис-ретинал при освещении. Поэтому считается, что RGR-опсины и ретинохромы не передают сигнал и не активируют каскад фототрансдукции, а работают как фотоизомеразы для получения 11-цис-ретинала для других опсинов. Эта точка зрения считается общепринятой в литературе по опсинам, хотя она и не была окончательно доказана. Кроме того, когда мотив мутирует в NAxxY7.53 (Pro7.50 → Ala7.50) в родопсине крупного рогатого скота, мутант имеет 141% активности дикого типа, как показали Диб и др. Влияние участков, определяющих спектральную настройку, на λmax различается между различными группами опсинов и между группами опсинов разных видов.

The seven transmembrane α helical domains in opsins are connected by three extra cellular and three cytoplasmic loops. Along the α helices and the loops, many amino acid residues are highly conserved between all opsin groups, indicating that they serve important functions and thus are called functionally conserved residues. Actually, insertions and deletions in the α helices are very rare and should preferentially occur in the loops. Therefore, different G protein coupled receptors have different length and homologous residues may be in different positions. To make such positions comparable between different receptors, Ballesteros and Weinstein introduced a common numbering scheme for G protein coupled receptors. The number before the period is the number of the transmembrane domain. The number after the period is set arbitrarily to 50 for the most conserved residue in that transmembrane domain among GPCRs known in 1995. For instance in the seventh transmembrane domain, the proline in the highly conserved NPxxY7.53 motif is Pro7.50, the asparagine before is then Asp7.49, and the tyrosine three residues after is then Tyr7.53. and whose 3D structure were determined. In cattle rhodopsin, this lysine is the 296th amino acid Even so most opsins have Lys2967.43, some have lost it during evolution: In the nemopsins from nematodes, Lys2967.43 is replaced by Arginine. mechanoreception such as hearing detecting phospholipids, chemosensation, and other functions. In particular, the Drosophila rhabdomeric opsins (rhabopsins, r opsins) Rh1, Rh4, and Rh7 function not only as photoreceptors, but also as chemoreceptors for aristolochic acid. These opsins still have Lys2967.43 like other opsins. However, if this lysine is replaced by an arginine in Rh1, then Rh1 loses light sensitivity but still responds to aristolochic acid. Thus, Lys2967.43 is not needed for Rh1 to function as chemoreceptor. Such a mutation to APxxY7.53 (Asn7.49 → Ala7.49) reduces the G protein activation of cattle rhodopsin to 45% compared to wild type. Also in cattle rhodopsin, if the motif is mutated to NPxxA7.53 (Tyr7.53 → Ala7.53), cattle rhodopsin does not activate the G protein. Such a mutation also reduces the activation of the vasopressin V2 receptor. In fact in G protein coupled receptors, only loss of function disease mutations are known for Tyr7.53⁠. Also mutations of Pro7.50 influence G protein activation, if the motif is mutated to NAxxY7.53 (Pro7.50 → Ala7.50) in the rat m3 muscarinic receptor, the receptor can still be activated but less efficiently, this mutation even abolishes activation in the cholecystokinin B receptor completely.⁠ In fact, the RGR opsins have NAxxY7.53 and retinochromes have VPxxY7.53 for annelids or YPxxY7.53 for mollusks, natively. Both RGR opsins and retinochromes, belong to the chromopsins. and retinochromes also bind unlike most opsins all trans retinal in the dark and convert it to 11 cis retinal when illuminated. Therefore, RGR opsins and retinochromes are thought to neither signal nor activate a phototransduction cascade but to work as photoisomerases to produce 11 cis retinal for other opsins. This view is considered established in the opsin literature, even so it has not been shown, conclusively. Furthermore, when the motif is mutated to NAxxY7.53 (Pro7.50 → Ala7.50) in cattle rhodopsin, the mutant has 141% of wild type activity. and Deeb. The impact of spectral tuning sites on λmax differs between different opsin groups and between opsin groups of different species.

Филогения

Животные опсины (также известные как опсины типа 2) являются представителями семейства белков с семью трансмембранными доменами, входящих в суперсемейство рецепторов, связанных с G-белком (GPCR). Нессопсины также известны как антозоанские опсины II или просто как опсины кишечнополостных. Тетраопсины также известны как RGR/Go или опсины группы 4. Они преобразуют световые сигналы в нервные импульсы посредством циклических нуклеотидных ионных каналов, которые функционируют за счет увеличения разности потенциалов на клеточной мембране (то есть гиперполяризации).

Визуальные опсины позвоночных

Визуальные опсины позвоночных являются подклассом цилиарных опсинов, экспрессирующихся в сетчатке позвоночных и обеспечивающих зрение. Они подразделяются на: фотопсины – отвечающие за фотопическое зрение (дневное зрение), экспрессирующиеся в колбочковых клетках; следовательно, также колбочковые опсины. Фотопсины далее подразделяются в соответствии со спектральной чувствительностью, то есть длиной волны, при которой наблюдается максимальное поглощение света (λmax). У позвоночных обычно существует четыре класса фотопсинов (SWS1, SWS2, RH2, LWS). Млекопитающие утратили классы Rh2 и SWS2 в период ночного узкого места, поэтому обычно дихроматичны. Предки приматов впоследствии развили два различных опсина LWS (LWS и MWS), в результате чего у человека осталось 3 фотопсина в 2 классах: SWS1 (OPN1SW) и две формы LWS (OPN1LW, OPN1MW). Скотопсины – отвечающие за скотопическое зрение (сумеречное зрение), экспрессирующиеся в палочковых клетках; следовательно, также опсины палочек.

Внешние (или внеглазные) родопсинподобные опсины (Exo-Rh)

Эти опины шишковидной железы, обнаруженные у актиноптеригов (лучепёрых рыб), по-видимому, возникли в результате дупликации гена Rh1 (родопсина). Эти опсины, судя по всему, выполняют функции, сходные с функциями пинопсина, обнаруженного у птиц и рептилий.

Пинопсины

Первый пинеальный опсин (пинопсин) был обнаружен в шишковидной железе курицы. Это опсин, чувствительный к синему свету (λmax = 470 нм). Пинеальные опсины широко экспрессируются в различных областях мозга, особенно в области шишковидной железы.

Вертебраты Древний (VA) опсин

У позвоночных древний (VA) опсин имеет три изоформы: VA короткий (VAS), VA средний (VAM) и VA длинный (VAL). Он экспрессируется во внутренней сетчатке, в горизонтальных и амакриновых клетках, а также в шишковидном органе и хабенулярной области мозга. Он чувствителен к длине волны примерно 500 нм [14], встречается у большинства классов позвоночных, но отсутствует у млекопитающих.

Парапинопсины

Первый парапинопсин (ПП) был обнаружен в парапинеальном органе сома. Парапинопсин миноги является УФ-чувствительным опсином (λmax = 370 нм). У телеостей существует две группы парапинопсинов: одна чувствительна к ультрафиолетовому излучению (λmax = 360–370 нм), а другая – к синему свету (λmax = 460–480 нм).

Париетопсины

Первый париетопсин был обнаружен в фоторецепторных клетках париетального глаза ящерицы. Париетопсин ящерицы обладает чувствительностью к зеленому свету (λmax = 522 нм), и, несмотря на то, что он является c-опсином, как и зрительные опсины позвоночных, он не вызывает гиперполяризацию посредством белка Gt, а вызывает деполяризацию посредством белка Go.

Энцефалопсин или панопсин

Панопсины обнаружены во многих тканях (кожа, мозг, яички). Этот c-опсин чувствителен к УФ-излучению (λmax = 383 нм) и может быть настроен на 125 нм при изменении одной аминокислоты (диапазон λmax = 377–502 нм). Таким образом, неудивительно, что в Platynereis dumerilii существует второй, но цианочувствительный c-опсин (λmax = 490 нм). Первый c-опсин опосредует УФ-индуцированный гравитаксис личинки. Гравитаксис в сочетании с фототаксисом формирует пропорциональный хроматический глубиномер. На разных глубинах свет в воде имеет различный спектральный состав: сначала исчезают красные (> 600 нм), ультрафиолетовые и фиолетовые (< 420 нм) длины волн. Чем больше глубина, тем уже спектр, так что остается только циан (480 нм). Таким образом, личинки могут определять свою глубину по цвету. В отличие от яркости, цвет остается почти постоянным независимо от времени суток или погодных условий, например, при облачности. Панопсины также экспрессируются в мозге некоторых насекомых. Панопсины являются сестринскими группами для опсинов TMT.

Опсин телеостного множественного тканя

Первый опсин ТМТ был обнаружен во многих тканях рыб телеоста, поэтому их называют опсинами телеоста, экспрессирующимися в нескольких тканях (ТМТ). Опсины ТМТ формируют три группы, наиболее близко родственные четвертой группе – панопсинам, которые, таким образом, являются паралогами опсинов ТМТ. Опсины кишечнополостных принадлежат к двум группам – ксенопсинам и нессопсинам. Ксенопсины содержат также билатерианские опсины, в то время как нессопсины ограничены кишечнополостными.

Рабдомерные опсины

Рабдомерные опсины (рхабопсины, r-опсины) также известны как Gq-опсины, поскольку они взаимодействуют с Gq-белком. Рабдопсины используются моллюсками и членистоногими. Членистоногие, по-видимому, достигают цветового зрения подобным позвоночным способом, используя три (или более) различных группы опсинов, различающихся как по филогенетическому происхождению, так и по спектральной чувствительности.

Меланопсин

Меланопсин (OPN4) участвует в регуляции циркадных ритмов, зрачковом рефлексе и цветокоррекции при высокой освещенности. Филогенетически он относится к рабдомерическим опсинам (рабопсинам, r-опсинам) и функционально и структурно является рабдопсином, однако не локализуется в рабдомерах.

Тетраопсины

К тетраопсинам относятся нейропсины, опсины Go и хромопсины. Они связываются с Gi-белками.

Гоопсины

Гоопсины отсутствуют у высших позвоночных. Они обнаружены в цилиарных фоторецепторных клетках глаза гребенки и у базальных хордатных – амфиокса. Однако у Platynereis dumerilii опсин Go экспрессируется в рабдомерных фоторецепторных клетках глаз. Он предпочтительно связывает все-транс-ретинол в темноте, а не 11-цис-ретинол. В частности, он ускоряет, независимо от света, образование 11-цис-ретинола (предшественника 11-цис-ретинала) из все-транс-ретиниловых эфиров. Однако все-транс-ретиниловые эфиры становятся доступными при участии RGR-опсинов и под действием света. Неизвестно, регулируют ли RGR-опсины этот процесс через G-белок или другой сигнальный механизм. RGR-опсин крупного рогатого скота имеет максимальное поглощение при разных длинах волн в зависимости от значения pH. При высоком pH он максимально поглощает синий свет (469 нм), а при низком pH – УФ-свет (370 нм).

Перопсин

Перопсин, зрительный пигмент, подобный рецептору, — это белок, кодируемый геном RRH у человека.

Другие белки, называемые опсинами

Фоторецепторы могут быть классифицированы различными способами, включая функцию (зрение, фототаксис, фотопериодизм и т. д.), тип хромофора (ретиналь, флавин, билиновый), молекулярную структуру (третичная, четвертичная), выходной сигнал (фосфорилирование, восстановление, окисление) и т.д. Помимо животных опсинов, которые являются рецепторами, сопряженными с G-белком, существует другая группа фоторецепторных белков, называемых опсинами. Это микробные опсины, используемые прокариотами и некоторыми водорослями (в качестве компонента каналородопсинов) и грибами, в то время как животные используют исключительно животные опсины. Опсины не обнаружены за пределами этих групп (например, у растений или плакозоев). Фактически, идентичность последовательностей между животными и микробными опсинами не превышает значения, которое можно объяснить случайностью. Однако в последние годы были разработаны новые методы, специфичные для глубокой филогении. В результате нескольких исследований были получены доказательства возможной филогенетической связи между ними. Однако это не обязательно означает, что последний общий предок микробных и животных опсинов сам был светочувствительным: все животные опсины возникли (путем дупликации и дивергенции генов) на поздних этапах истории большого семейства генов рецепторов, сопряженных с G-белком (GPCR), которое само возникло после дивергенции растений, грибов, хоанфлагеллят и губок от самых ранних животных. Хромофор ретиналя встречается только в опсинской ветви этого большого семейства генов, что означает, что его появление в других местах представляет собой конвергентную эволюцию, а не гомологию. Микробные родопсины по последовательности сильно отличаются от любого семейства GPCR. Согласно одной из гипотез, как микробные, так и животные опсины принадлежат к суперсемейству транспортных опсинов, сопряженных с G-белком (TOG), предполагаемому кладу, который включает рецепторы, сопряженные с G-белком (GPCR), ионно-транслоцирующий микробный родопсин (MR) и семь других. Большинство микробных опсинов являются ионными каналами или насосами, а не полноценными рецепторами и не связываются с G-белком. Микробные опсины встречаются во всех трех доменах жизни: Археях, Бактериях и Эукариотах. В Эукариотах микробные опсины встречаются в основном в одноклеточных организмах, таких как зеленые водоросли, и в грибах. В большинстве сложных многоклеточных эукариот микробные опсины были заменены другими светочувствительными молекулами, такими как криптохром и фитохром у растений и животными опсинами у животных. Микробные опсины часто известны по родопсиновой форме молекулы, то есть родопсин (в широком смысле) = опсин + хромофор. Среди множества видов микробных опсинов – протонные насосы бактериородопсин (BR) и ксантородопсин (xR), хлоридный насос галородопсин (HR), фотосенсоры сенсорный родопсин I (SRI) и сенсорный родопсин II (SRII), а также протеородопсин (PR), нейроспора опсин I (NOPI), сенсорный родопсин A (CSRA), сенсорный родопсин B (CSRB), каналородопсин (ChR) и археродопсин (Arch). Несколько микробных опсинов, таких как протео- и бактериородопсин, используются различными группами бактерий для сбора энергии из света для осуществления метаболических процессов с использованием пути, не основанного на хлорофилле. Кроме того, галородопсины галобактерий и каналородопсины некоторых водорослей, например Volvox, служат им светочувствительными ионными каналами, в том числе и для фототаксических целей. Сенсорные родопсины существуют в галобактериях, которые индуцируют фототаксический ответ путем взаимодействия с трансдукторными белками, встроенными в мембрану, не связанными с G-белками. Микробные опсины (такие как каналородопсин, галородопсин и археродопсин) используются в оптогенетике для включения или выключения нейронной активности. Микробные опсины предпочтительны, если необходимо модулировать нейронную активность с более высокой частотой, поскольку они реагируют быстрее, чем животные опсины. Это связано с тем, что микробные опсины являются ионными каналами или протонными/ионными насосами и, следовательно, активируются светом непосредственно, в то время как животные опсины активируют G-белки, которые затем активируют эффекторные ферменты, производящие метаболиты для открытия ионных каналов.

Photoreceptors can be classified several ways, including function (vision, phototaxis, photoperiodism, etc. ), type of chromophore (retinal, flavine, bilin), molecular structure (tertiary, quaternary), signal output (phosphorylation, reduction, oxidation), etc. Beside animal opsins, which are G protein coupled receptors, there is another group of photoreceptor proteins called opsins. These are the microbial opsin, they are used by prokaryotes and by some algae (as a component of channelrhodopsins) and fungi, whereas animals use animal opsins, exclusively. No opsins have been found outside these groups (for instance in plants, or placozoans). In fact, the sequence identity between animal and mirobial opsins is no greater than could be accounted for by random chance. However, in recent years new methods have been developed specific to deep phylogeny. As a result, several studies have found evidence of a possible phylogenetic relationship between the two. However, this does not necessarily mean that the last common ancestor of microbial and animal opsins was itself light sensitive: All animal opsins arose (by gene duplication and divergence) late in the history of the large G protein coupled receptor (GPCR) gene family, which itself arose after the divergence of plants, fungi, choanflagellates and sponges from the earliest animals. The retinal chromophore is found solely in the opsin branch of this large gene family, meaning its occurrence elsewhere represents convergent evolution, not homology. Microbial rhodopsins are, by sequence, very different from any of the GPCR families. According to one hypothesis, both microbial and animal opsins belong to the transporter opsin G protein coupled receptor (TOG) superfamily, a proposed clade that includes G protein coupled receptor (GPCR), Ion translocating microbial rhodopsin (MR), and seven others. Most microbial opsins are ion channels or pumps instead of proper receptors and do not bind to a G protein. Microbal opsins are found in all three domains of life: Archaea, Bacteria, and Eukaryota. In Eukaryota, microbial opsins are found mainly in unicellular organisms such as green algae, and in fungi. In most complex multicellular eukaryotes, microbial opsins have been replaced with other light sensitive molecules such as cryptochrome and phytochrome in plants, and animal opsins in animals. Microbial opsins are often known by the rhodopsin form of the molecule, i. e., rhodopsin (in the broad sense) = opsin + chromophore. Among the many kinds of microbial opsins are the proton pumps bacteriorhodopsin (BR) and xanthorhodopsin (xR), the chloride pump halorhodopsin (HR), the photosensors sensory rhodopsin I (SRI) and sensory rhodopsin II (SRII), as well as proteorhodopsin (PR), Neurospora opsin I (NOPI), Chlamydomonas sensory rhodopsins A (CSRA), Chlamydomonas sensory rhodopsins B (CSRB), channelrhodopsin (ChR), and archaerhodopsin (Arch). Several microbal opsins, such as proteo and bacteriorhodopsin, are used by various bacterial groups to harvest energy from light to carry out metabolic processes using a non chlorophyll based pathway. Beside that, halorhodopsins of Halobacteria and channelrhodopsins of some algae, e. g. Volvox, serve them as light gated ion channels, amongst others also for phototactic purposes. Sensory rhodopsins exist in Halobacteria that induce a phototactic response by interacting with transducer membrane embedded proteins that have no relation to G proteins. Microbal opsins (like channelrhodopsin, halorhodopsin, and archaerhodopsin) are used in optogenetics to switch on or off neuronal activity. Microbal opsins are preferred if the neuronal activity should be modulated at higher frequency, because they respond faster than animal opsins. This is because microbal opsins are ion channels or proton/ion pumps and thus are activated by light directly, while animal opsins activate G proteins, which then activate effector enzymes that produce metabolites to open ion channels.