Halorhodopsin

Halorhodopsine (HR) sind lichtgetriebene, retinalbindende Membranproteine aus Halobakterien, die als Anionenpumpen fungieren.^[1] Halorhhodopsin transportiert Chloridionen unter Einwirkung von orangefarbenem Licht in das Zellinnere. In der Optogenetik wird es als hocheffizientes Werkzeug zur präzisen Hemmung neuronaler Aktivität durch Hyperpolarisation genutzt.

Eigenschaften

Halorhodopsin ist dem Bacteriorhodopsin strukturell und funktionell sehr ähnlich. Beide Membranproteine enthalten als chromophore Gruppe ein Retinal, das über eine Schiff-Base-Bindung (Schiffsche Base) an einen spezifischen Lysin-Rest des Proteins gekoppelt ist. Diese Retinal-Gruppe fungiert über eine durch die Absorption von Lichtenergie hervorgerufene zyklische Cis-Trans-Isomerisierung als Ionenpumpe. Während Bacteriorhodopsin eine Protonenpumpe ist, befördert Halorhodopsin Chlorid-Ionen (Cl^-) entgegen dem negativen Membranpotential aus dem Extrazellulärraum in die Zelle hinein. Die für die Funktion des Bacteriorhodopsins entscheidenden Reste Asp-85 und Asp-96 sind beim Halorhodopsin durch andere Reste (Thr bzw. Ala) ersetzt. Dies hat zur Folge, dass das große Chlorid-Anion Platz findet und durch ionische Wechselwirkungen stabilisiert wird.^[1]

Herkunft

Halorhodopsine in der Zellmembran ermöglichen es spezialisierten Archaebakterien, Lebensräume mit extrem hohen Salzgehalt und pH zu besiedeln (Extremophile). Diese Besiedlung sorgt für die charakteristisch gelb-rote Farbe von Salzseen. Das erste Halorhopsin, das 1977 in dem Archaebakterium Halobacterium salinarum (damals unter dem Namen Halobacterium halobium) entdeckt wurde, wird als HsHR bezeichnet.^[2] NpHR aus Natronomonas pharaonis lässt sich besonders gut in eukaryotischen Zellen exprimieren und hat sich deshalb als optogenetisches Werkzeug bewährt.^[3]

Verwendung als optogenetisches Werkzeug

Besonders in der Neurobiologie wird Halorhodopsin als optogenetisches Werkzeug eingesetzt, um die Aktivität bestimmter Nervenzellen zu blockieren.^[4]^[5] Für diesen Zweck eignet sich besonders gut ein Rotlicht-empfindliches Halorhodpsin aus Haloarcula salinarum namens Jaws, da rotes Licht (>600 nm) tief in Hinrngewebe eindringen kann.^[6]^[3]

Einzelnachweise

1 2 Lexikon der Biologie: in fünfzehn Bänden. Spektrum, Akad. Verl, Heidelberg 1999, ISBN 978-3-8274-0320-9.
↑ Akemi Matsuno-Yagi, Yasuo Mukohata: Two possible roles of bacteriorhodopsin; a comparative study of strains of Halobacterium halobium differing in pigmentation. In: Biochemical and Biophysical Research Communications. Band 78, Nr. 1, September 1977, ISSN 0006-291X, S. 237–243, doi:10.1016/0006-291x(77)91245-1.
1 2 Christopher Engelhard, Igor Chizhov, Friedrich Siebert, Martin Engelhard: Microbial Halorhodopsins: Light-Driven Chloride Pumps. In: Chemical Reviews. Band 118, Nr. 21, 8. Juni 2018, ISSN 0009-2665, S. 10629–10645, doi:10.1021/acs.chemrev.7b00715.
↑ Xue Han, Edward S. Boyden: Multiple-Color Optical Activation, Silencing, and Desynchronization of Neural Activity, with Single-Spike Temporal Resolution. In: PLoS ONE. Band 2, Nr. 3, 21. März 2007, ISSN 1932-6203, S. e299, doi:10.1371/journal.pone.0000299.
↑ Feng Zhang, Li-Ping Wang, Martin Brauner, Jana F. Liewald, Kenneth Kay, Natalie Watzke, Phillip G. Wood, Ernst Bamberg, Georg Nagel, Alexander Gottschalk, Karl Deisseroth: Multimodal fast optical interrogation of neural circuitry. In: Nature. Band 446, Nr. 7136, April 2007, ISSN 0028-0836, S. 633–639, doi:10.1038/nature05744.
↑ Amy S Chuong, Mitra L Miri, Volker Busskamp, Gillian A C Matthews, Leah C Acker, Andreas T Sørensen, Andrew Young, Nathan C Klapoetke, Mike A Henninger, Suhasa B Kodandaramaiah, Masaaki Ogawa, Shreshtha B Ramanlal, Rachel C Bandler, Brian D Allen, Craig R Forest, Brian Y Chow, Xue Han, Yingxi Lin, Kay M Tye, Botond Roska, Jessica A Cardin, Edward S Boyden: Noninvasive optical inhibition with a red-shifted microbial rhodopsin. In: Nature Neuroscience. Band 17, Nr. 8, 6. Juli 2014, ISSN 1097-6256, S. 1123–1129, doi:10.1038/nn.3752.

[:0-1] 1 2 Lexikon der Biologie: in fünfzehn Bänden. Spektrum, Akad. Verl, Heidelberg 1999, ISBN 978-3-8274-0320-9.

[2] Akemi Matsuno-Yagi, Yasuo Mukohata: Two possible roles of bacteriorhodopsin; a comparative study of strains of Halobacterium halobium differing in pigmentation. In: Biochemical and Biophysical Research Communications. Band 78, Nr. 1, September 1977, ISSN 0006-291X, S. 237–243, doi:10.1016/0006-291x(77)91245-1.

[:1-3] 1 2 Christopher Engelhard, Igor Chizhov, Friedrich Siebert, Martin Engelhard: Microbial Halorhodopsins: Light-Driven Chloride Pumps. In: Chemical Reviews. Band 118, Nr. 21, 8. Juni 2018, ISSN 0009-2665, S. 10629–10645, doi:10.1021/acs.chemrev.7b00715.

[4] Xue Han, Edward S. Boyden: Multiple-Color Optical Activation, Silencing, and Desynchronization of Neural Activity, with Single-Spike Temporal Resolution. In: PLoS ONE. Band 2, Nr. 3, 21. März 2007, ISSN 1932-6203, S. e299, doi:10.1371/journal.pone.0000299.

[5] Feng Zhang, Li-Ping Wang, Martin Brauner, Jana F. Liewald, Kenneth Kay, Natalie Watzke, Phillip G. Wood, Ernst Bamberg, Georg Nagel, Alexander Gottschalk, Karl Deisseroth: Multimodal fast optical interrogation of neural circuitry. In: Nature. Band 446, Nr. 7136, April 2007, ISSN 0028-0836, S. 633–639, doi:10.1038/nature05744.

[6] Amy S Chuong, Mitra L Miri, Volker Busskamp, Gillian A C Matthews, Leah C Acker, Andreas T Sørensen, Andrew Young, Nathan C Klapoetke, Mike A Henninger, Suhasa B Kodandaramaiah, Masaaki Ogawa, Shreshtha B Ramanlal, Rachel C Bandler, Brian D Allen, Craig R Forest, Brian Y Chow, Xue Han, Yingxi Lin, Kay M Tye, Botond Roska, Jessica A Cardin, Edward S Boyden: Noninvasive optical inhibition with a red-shifted microbial rhodopsin. In: Nature Neuroscience. Band 17, Nr. 8, 6. Juli 2014, ISSN 1097-6256, S. 1123–1129, doi:10.1038/nn.3752.

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