광게이트 이온 채널

Light-gated ion channel

광게이트 이온 채널은 전자파 복사에 의해 조절되는 이온 채널 패밀리입니다.이온 채널의 다른 게이트 기구에는 전압 게이트 이온 채널, 리간드 게이트 이온 채널, 기계 감응형 이온 채널 및 온도 게이트 이온 채널이 포함된다.자연발생적인 두 가지 예인 channelrhodopsin과 음이온 전도성 channelrhodopsin이 현재 [1][2]알려져 있지만, 대부분의 광게이트 이온 채널은 연구를 위해 실험실에서 합성되었다.광게이트 이온 채널과 유사한 방식으로 작용하는 광수용체 단백질은 일반적으로 G 단백질 결합 수용체로 분류된다.

메커니즘

광게이트 이온 채널은 다른 게이트 이온 채널과 유사한 방식으로 작동합니다.이러한 막 통과 단백질은 이온의 통과를 촉진하기 위해 지질 이중층을 통해 모공을 형성합니다.이 이온들은 전기화학적 구배의 영향을 받아 막의 한 쪽에서 다른 쪽으로 이동한다.자극에 노출되면 단백질의 막 통과 영역에서 이온 채널을 열거나 닫는 구조 변화가 일어난다.광게이트 이온 채널의 특정한 경우, 투과막 단백질은 보통 포토스위치로서 기능하는 작은 분자와 결합되어 광자가 스위칭 분자에 결합하고 다음으로 단백질의 구조를 변화시켜 모공이 닫힌 상태에서 열린 상태로 변화함으로써 증가 또는 감소한다.이온 전도성을 완화합니다.망막은 분자 포토스위치의 좋은 예이며 자연적으로 발생하는 [3][4]채널로돕신에서 발견됩니다.

합성 아이소폼

채널로솝신이 확인되고 특성이 확인되면 광유전학적 제어를 통해 막 전위를 제어하기 위해 채널의 이온 선택성이 수정되었다.채널의 지시된 돌연변이는 모공의 전하를 변화시켰고, 모공이 [5]음이온에 유리한 양이온을 제외시켰다.

다른 유형의 게이트 이온 채널인 리간드 게이트 및 전압 게이트는 그 성질과 특성을 더 잘 이해하기 위해 광 게이트 성분으로 합성되었습니다.광게이트 단면을 추가함으로써 동작의 동력학 및 메커니즘을 심도 있게 연구할 수 있다.예를 들어 광게이트 성분의 첨가에 의해 리간드 게이트 이온 채널의 결합 부위에 많은 매우 유사한 리간드를 도입하여 기구의 결정을 보조할 수 있다.

이러한 이온 채널은 이온 채널에 광감응성을 부여하기 위해 포토 스위치를 결합함으로써 수정되었습니다.이것은 광이성화를 통해 늘어나거나 짧아질 수 있는 테더를 신중하게 선택함으로써 이루어집니다.테더의 한쪽은 이온채널 단백질에 결합하고, 다른 한쪽 끝은 모공의 노광 부분에 대한 결합 친화력이 높은 블로킹 그룹에 결합한다.테더가 길어지면 차단 부분이 모공에 결합되어 이온 전류를 방지할 수 있습니다.끈이 짧아지면 이 방해물이 파괴되고 모공이 열립니다.운동학적 연구는 미세한 시간적, 공간적 제어가 이러한 [6][7]방식으로 달성될 수 있다는 것을 증명했다.

트랜스 이성질체와 시스 이성질체 사이의 아조벤젠 광이성화

아조벤젠은 광이성화를 유도하는 데 필요한 들뜸 파장뿐만 아니라 시스 또는 트랜스 이성질체로서 잘 문서화된 길이 변화 때문에 합성 개발 광게이트 이온 채널의 테더 기능 부분에서 일반적으로 선택된다.아조벤젠은 파장 = 500nm 이상의 긴 트랜스 이성체로, 파장 = 380nm [6]이상의 시스 이성체로 변환된다.

1980년에 광 게이트 메커니즘을 이용한 연구에 적용된 최초의 이온 채널은 니코틴성 아세틸콜린 [8]수용체였다.이 수용체는 그 당시에 잘 알려져 있었기 때문에 적응에 적합했고, 이전에는 허용되지 않았던 속도론의 연구가 가능했다.

프로모터 제어를 통해 특정 세포 유형에서 광게이트 이온 채널의 발현을 통해 양이온 퍼머넌트 채널로돕신의 경우 막을 0mV로 탈분극하거나 음이온 전도 채널로돕신의 경우 –[9]67mV로 유지함으로써 세포 전위 조절을 가능하게 한다.탈분극은 채널당 5fA의 범위에서 전류를 전도할 수 있으며 활동전위 및 신경전달물질 엑소사이토시스(exocytosis)[10][4]의 시간척도에서 발생합니다.레이저 [3][6]자극을 통한 유도에 의해 부여되는 미세한 시간적 및 공간적 제어로 비침습적, 가역적 막 전위 변화를 제공한다는 점에서 다른 유형의 이온 채널 조절보다 유리하다.광활성 양성자 펌프 및 광활성 [5][10]프로브와 같은 다른 기술과 달리 기능을 유지하기 위해 고강도 조명이 필요하지 않기 때문에 빠른 탈분극으로 단일 활동 전위를 안정적으로 자극하고 생체 내에서 사용할 수 있다.

예

광게이트 이온 채널의 예는 자연 환경과 합성 환경 모두에서 발생합니다.여기에는 다음이 포함됩니다.

자연발생

합성 적응

레퍼런스

  1. ^ "광게이트 이온 채널 엔지니어링" - 생화학, 45(51), 15129-15141, 2006
  2. ^ Govorunova, Elena G.; Sineshchekov, Oleg A.; Janz, Roger; Liu, Xiaoqin; Spudich, John L. (2015-08-07). "Natural light-gated anion channels: A family of microbial rhodopsins for advanced optogenetics". Science. 349 (6248): 647–650. doi:10.1126/science.aaa7484. ISSN 0036-8075. PMC 4764398. PMID 26113638.
  3. ^ a b Nagel, Georg; Brauner, Martin; Liewald, Jana F.; Adeishvili, Nona; Bamberg, Ernst; Gottschalk, Alexander (2005). "Light Activation of Channelrhodopsin-2 in Excitable Cells of Caenorhabditis elegans Triggers Rapid Behavioral Responses". Current Biology. 15 (24): 2279–2284. doi:10.1016/j.cub.2005.11.032. PMID 16360690.
  4. ^ a b Nagel, Georg; Szellas, Tanjef; Huhn, Wolfram; Kateriya, Suneel; Adeishvili, Nona; Berthold, Peter; Ollig, Doris; Hegemann, Peter; Bamberg, Ernst (2003-11-25). "Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel". Proceedings of the National Academy of Sciences. 100 (24): 13940–13945. doi:10.1073/pnas.1936192100. ISSN 0027-8424. PMC 283525. PMID 14615590.
  5. ^ a b Wietek, Jonas; Wiegert, J. Simon; Adeishvili, Nona; Schneider, Franziska; Watanabe, Hiroshi; Tsunoda, Satoshi P.; Vogt, Arend; Elstner, Marcus; Oertner, Thomas G. (2014-04-25). "Conversion of Channelrhodopsin into a Light-Gated Chloride Channel". Science. 344 (6182): 409–412. doi:10.1126/science.1249375. ISSN 0036-8075. PMID 24674867. S2CID 206554245.
  6. ^ a b c Banghart, Matthew; Borges, Katharine; Isacoff, Ehud; Trauner, Dirk; Kramer, Richard H (December 2004). "Light-activated ion channels for remote control of neuronal firing". Nature Neuroscience. 7 (12): 1381–1386. doi:10.1038/nn1356. ISSN 1546-1726. PMC 1447674. PMID 15558062.
  7. ^ Jog, Parag V.; Gin, Mary S. (2008-09-01). "A Light-Gated Synthetic Ion Channel". Organic Letters. 10 (17): 3693–3696. doi:10.1021/ol8013045. ISSN 1523-7060. PMID 18656946.
  8. ^ 공유결합 광이성체 작용제. 전기 도금에서의 가역 결합 작용제와의 비교" — 일반 생리학 저널 Vol 75, 207-232
  9. ^ Berndt, Andre; Lee, Soo Yeun; Ramakrishnan, Charu; Deisseroth, Karl (2014-04-25). "Structure-Guided Transformation of Channelrhodopsin into a Light-Activated Chloride Channel". Science. 344 (6182): 420–424. doi:10.1126/science.1252367. ISSN 0036-8075. PMC 4096039. PMID 24763591.
  10. ^ a b Ishizuka, Toru; Kakuda, Masaaki; Araki, Rikita; Yawo, Hiromu (2006). "Kinetic evaluation of photosensitivity in genetically engineered neurons expressing green algae light-gated channels". Neuroscience Research. 54 (2): 85–94. doi:10.1016/j.neures.2005.10.009. PMID 16298005. S2CID 17576414.
  11. ^ Cosentino, C.; Alberio, L.; Gazzarrini, S.; Aquila, M.; Romano, E.; Cermenati, S.; Zuccolini, P.; Petersen, J.; Beltrame, M.; Etten, J. L. Van; Christie, J. M.; Thiel, G.; Moroni, A. (2015). "Engineering of a light-gated potassium channel". Science. 348 (6235): 707–710. doi:10.1126/science.aaa2787. PMID 25954011. S2CID 27853990.
  12. ^ Beck, Sebastian; Yu-Strzelczyk, Jing; Pauls, Dennis; Constantin, Oana M.; Gee, Christine E.; Ehmann, Nadine; Kittel, Robert J.; Nagel, Georg; Gao, Shiqiang (2018). "Synthetic Light-Activated Ion Channels for Optogenetic Activation and Inhibition". Frontiers in Neuroscience. 12: 643. doi:10.3389/fnins.2018.00643. ISSN 1662-453X. PMC 6176052. PMID 30333716.
  13. ^ Bernal Sierra, Yinth Andrea; Rost, Benjamin R.; Pofahl, Martin; Fernandes, António Miguel; Kopton, Ramona A.; Moser, Sylvain; Holtkamp, Dominik; Masala, Nicola; Beed, Prateep; Tukker, John J.; Oldani, Silvia (2018). "Potassium channel-based optogenetic silencing". Nature Communications. 9 (1): 4611. doi:10.1038/s41467-018-07038-8. ISSN 2041-1723. PMC 6218482. PMID 30397200.
  14. ^ Anzai, Jun-Ichi; Osa, Tetsuo (1994). "Photosensitive artificial membranes based on azobenzene and spirobenzopyran derivatives". Tetrahedron. 50 (14): 4039–4070. doi:10.1016/S0040-4020(01)86704-1.
  15. ^ Folgering, Joost H. A.; Kuiper, Johanna M.; de Vries, Alex H.; Engberts, Jan B. F. N.; Poolman, Bert (2004). "Lipid-Mediated Light Activation of a Mechanosensitive Channel of Large Conductance". Langmuir. 20 (17): 6985–6987. doi:10.1021/la048942v. PMID 15301476.