Preview

Вестник Московского университета. Серия 16. Биология

Расширенный поиск

LOV- И BLUF-ФЛАВОПРОТЕИНЫ: РЕГУЛЯТОРНЫЕ ФОТОРЕЦЕПТОРЫ МИКРООРГАНИЗМОВ И ФОТОСЕНСОРНЫЕ АКТИВАТОРЫ В ОПТОГЕНЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Полный текст:

Аннотация

В последние годы показано, что LOV (light, oxygen, voltage)- и BLUF (Blue Light sensing Using FAD)-фотосенсорные белки выполняют функции фоторецепторов светорегулируемых процессов не только у эукариот, но и у многих прокариот. У бактериальных фоторецепторов LOV- и BLUF-домены с присоединенными флавиновыми хромофорами часто связаны с разными ферментными и другими эффекторными доменами и составляют модульные системы, переключаемые светом. К настоящему времени достигнут прогресс в раскрытии механизмов фотоактивации таких систем. Они основаны на индуцированных фотореакциями хромофоров изменениях в фотосенсорных доменных структурах и последующей трансдукции сигнала к эффекторным доменам. Знание принципов трансдукции сигнала LOV- и BLUF-фотосенсорами имеет важное значение для создания на их основе фотопереключаемых ферментов и транскрипционных систем, применяемых в оптогенетике — новой и активно развивающейся области клеточной биологии и биотехнологии. Рассматриваются структурные аспекты передачи сигнала светоактивированными LOV- и BLUF-фоторецепторами и их регуляторные функции у бактерий, а также некоторые недавние достижения в использовании LOV-и BLUF-фотосенсоров в качестве активаторов в оптогенетических системах для регуляции клеточных процессов.

Об авторах

Г. Я. Фрайкин
Кафедра биофизики, биологический факультет, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова; Россия, 119234, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12
Россия

докт. биол. наук, проф., вед. науч. сотр. кафедры биофизики биологического факультета МГУ. Тел.: 8-495-939-39-68



М. Г. Страховская
Кафедра биофизики, биологический факультет, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова; Россия, 119234, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12 Федеральный научно-клинический центр специализированных видов медицинской помощи и медицинских технологий ФМБА; Россия, 115682, г. Москва, Ореховый бульвар, д. 28
Россия

докт. биол. наук, вед. науч. сотр. кафедры биофизики биологического факультета МГУ. Тел.: 8-495-939-39-68



Н. С. Беленикина
Кафедра биофизики, биологический факультет, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова; Россия, 119234, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12
Россия

канд. биол. наук, науч. сотр. кафедры биофизики биологического факультета МГУ. Тел.: 8-495-939-39-68;



А. Б. Рубин
Кафедра биофизики, биологический факультет, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова; Россия, 119234, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12
Россия

докт. биол. наук, чл.-корр. РАН, проф., зав. кафедрой биофизики биологического факультета МГУ. Тел.: 8-495-939-11-16



Список литературы

1. Fraikin G.Ya., Strakhovskaya M.G., Rubin A.B. Biological photoreceptors of light-dependent regulatory processes // Biochemistry (Mosc.). 2013. Vol. 78. N 11. P. 1238–1253.

2. Losi A., Gartner W. Old chromophores, new photoactivation paradigms, trendy applications: flavins in blue light-sensing photoreceptors // Photochem. Photobiol. 2011. Vol. 87. N 3. P. 491–510.

3. Losi A., Gartner W. Bacterial bilin- and flavin-binding photoreceptors // Photochem. Photobiol. Sci. 2008. Vol. 7. N 10. P. 1168–1178.

4. Yuan H., Dragnea V., Wu Q., Gardner K.H., Bauer C.E. Mutational and structure studies of the PixD BLUF output signal that affects light-regulated interaction with PixE // Biochemistry. 2011. Vol. 50. N 29. P. 6365–6375.

5. Khrenova M.G., Nemukhin A.V., Domratcheva T. Photoinduced electron transfer facilitates tautomerization of the conserved signaling glutamine side chain in BLUF protein light sensors // J. Phys. Chem. B. 2013. Vol. 117. N 8. P. 2369–2377.

6. Masuda S. Light detection and signal transduction in the BLUF photoreceptors //Plant Cell Physiol. 2013. Vol. 54. N 2. P. 171–179.

7. Barends T.R.M., Hartmann E., Griese J.J., Beitlich T., Kirienko N.V., Ryjenkov D.A., Reinstein J., Shoeman R.L., Gomelsky M., Schlichting I. Structure and mechanism of a bacterial light-regulated cyclic nucleotide phosphodiesterase // Nature. 2009. Vol. 459. N 7249. P. 1015–1018.

8. Winkler A., Udvarhelyi A., Hartmann E., Reinstein J., Menzel A., Shoeman R.L., Schlichting I. Characterization of elements involved in allosteric light regulation of phosphodiesterase activity by comparison of different functional BlrP1 states // J. Mol. Biol. 2014. Vol. 426. N 4. P. 853–868.

9. Stierl M., Stumpf P., Udvari D., Gueta R., Hagedorn R., Losi A., Gartner W., Petereit L., Efetova M., Schwarzel M., Oertner T.G., Nagel G., Hegemann P. Light modulation of cellular cAMP by a small bacterial photoactivated adenylyl cyclase, bPAC, of the soil bacterium Beggiatoa // J. Biol. Chem. 2011. Vol. 286. N 2. P. 1181–1188.

10. Ryu M.-H., Moskvin O.V., Siltberg-Liberies J., Gomelsky M. Natural and engineered photoactivated nucleotidyl cyclases for optogenetic applications // J. Biol. Chem. 2010. Vol. 285. N 53. P. 41501–41508.

11. Tanaka K., Nakasone Y., Okajima K., Ikeuchi M., Tokutomi S., Terazima M. Time-resolved tracking of interprotein signal transduction: Synechocystis PixD — PixE complex as a sensor of light intensity // J. Amer. Chem. Soc. 2012. Vol. 134. N 20. P. 8336–8339.

12. Ren S., Sawada M., Hasegawa K., Hayakawa Y., Ohta H., Masuda S.A. PixD — PapB chimeric protein reveals the function of the BLUF domain C-terminal α-helices for light-signal transduction // Plant Cell Physiol. 2012. Vol. 53. N 9. P. 1638–1647.

13. Tschowri N., Linderberg S., Hengge R. Molecular function and potencial evolution of the biofilm-modulating blue light-signaling pathway of Escherichia coli // Mol. Microbiol. 2012. Vol. 85. N 5. P. 893–906.

14. Winkler A., Heintz U., Lindner R., Reinstein J., Shoeman R.L., Schlichting I. A ternary AppA — PpsR — DNA complex mediates light-regulation of photosynthesisrelated gene expression // Nat. Struct. Mol. Biol. 2013. Vol. 20. N 7. P. 859–867.

15. Herrou J., Crosson S. Function, structure, and mechanism in bacterial photosensory LOV proteins // Nat. Rev. Microbiol. 2011. Vol. 9. N 10. P. 713–723.

16. Losi A., Gartner W. The evolution of flavin-binding photoreceptors: an ancient chromophore serving trendy bluelight sensors // Ann. Rev. Plant Biol. 2012. Vol. 63. P. 49–72.

17. Chen C.-H., Loros J.J. Neurospora sees the light // Commun. Integrat. Biol. 2009. Vol. 2. N 5. P. 448–451.

18. Malzahn E., Ciprianidis S., Kaldi K., Schafmeier T., Brunner M. Photoadaptation in Neurospora by competitive interaction of activating and inhibitory LOV domains // Cell. 2010. Vol. 142. N 5. P. 762–772.

19. Chen C.H., DeMay B.S., Gladfelter A.S., Dunlap J.C., Loros J.J. Physical interaction between VIVID and white collar complex regulates phoroadaptation in Neurospora // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 2010. Vol. 107. N 38. P. 16715–1672.

20. Zoltowski B.D., Crane B.R. Light activation of the LOV protein VIVID generates a rapidly exchanging dimer // Biochemistry. 2008. Vol. 47. N 27. P. 7012–7019.

21. Hunt S., Thompson S., Elvin M., Heintzen C. VIVID interacts with the WHITE COLLAR complex and FREQUENCY- interacting RNA helicase to alter light and clock responses in Neurospora // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 2010. Vol. 107. N 38. P. 16709–16714.

22. Cao Z., Livoti E., Losi A., Gartner W.A blue light-inducible phosphodiesterase activity in the cyanobacterium Synechococcus elongatus // Photochem. Photobiol. 2010. Vol. 86. N 5. P. 606–611.

23. Avila-Perez M., Vreede J., Tang Y., Bende O., Losi A., Gartner W., Hellingwerf K. In vivo mutational analysis of YtvA from Bacillus subtilis: mechanism of light activation of the general stress response // J. Biol. Chem. 2009. Vol. 284. N 37. P. 24958–24964.

24. Tang Y., Cao Z., Livoti E., Krauss U., Jaeger K.-E., Gartner W., Losi A. Interdomain signaling in the blue-light sensing and GTP-binding protein YtvA: a mutagenesis study uncovering the importance of specific protein sites // Photochem. Photobiol. Sci. 2010. Vol. 9. N 1. P. 47–56.

25. Nakasone Y., Hellingwerf K.J. On the binding of BODIPY — GTP by the photosensory protein YtvA from the common soil bacterium Bacillus subtilis // Photochem. Photobiol. 2011. Vol. 87. N 3. P. 542–547.

26. Jurk M., Dorn M., Kekhney A., Svergun D., Gartner W., Schmieder P. The switch that does not flip: the blue-light receptor YtvA from Bacillus subtilis adopts an elongated dimer conformation independent of the activation state as revealed by combined AUC and SAXS study // J. Mol. Biol. 2010. Vol. 403. N 1. P. 78–87.

27. Pathak G.P., Vrana J.D., Tucker C.L. Optogenetic control of cell function using engineered photoreceptors // Biol. Cell. 2013. Vol. 105. N 2. P. 59–72.

28. Moglich A., Moffat K. Engineered photoreceptors as novel optogenetic tools // Photochem. Photobiol. Sci. 2010. Vol. 9. N 10. P. 1286–1300.

29. Zoltowski B.D., Gardner K.H. Tripping the light fantastic: blue-light photoreceptors as examples of environmentally modulated protein — protein interactions // Biochemistry. 2011. Vol. 50. N 1. P. 4–16.

30. Christie J.M., Gawthorne J., Young G., Fraser N.J., Roe A.J. LOV to BLUF: flavoproteins contributions to the optogenetic toolkit // Mol. Plant. 2012.Vol. 5. N 3. P. 533–544.

31. Krauss U., Drepper T., Jaeger K.E. Enlightened enzymes: strategies to create novel photoresponsive proteins // Chem. Eur. J. 2011.Vol. 17. N 9. P. 2552–2560.

32. Krauss U., Lee J., Benkovic S.J., Jaeger K.E. LOVely enzymes — towards engineering light-controable biocatalysts // Microb. Biotech. 2010. Vol. 3. N 1. P. 15–23.

33. Wu Y.I., Frey D., Lungu O.I., Jaehrig A., Schlichting I., Kuhlman B., Hahn K.M. A genetically encoded photoactivatable Rac controls the motility of living cells // Nature. 2009. Vol. 461. N 7260. P. 104–108.

34. Wang X., He L., Wu Y.I., Hahn K.M., Montell D.J. Light-mediated activation reveals a key role for Rac in collective guidance of cell movement in vivo // Nat. Cell Biol. 2010. Vol. 12. N 6. P. 591–597.

35. Strickland D., Yao X., Gawlak G., Rosen M.K., Gardner K.H., Sosnick T.R. Rationally improving LOV domainbased photoswitches // Nat. Methods. 2010. Vol. 7. N 8. P. 623–626.

36. Moglich A., Ayers R.A., Moffat K. Design and signaling mechanism of light- regulated histidine kinases // J. Mol. Biol. 2009. Vol. 385. N 7. P. 1433–1444.

37. Ohlendorf R., Vidavski R.R., Eldar A., Moffat K., Moglich A. From Dusk till Dawn: one-plasmid systems for light-regulated gene expression // J. Mol. Biol. 2012. Vol. 416. N 3. P. 534–542.

38. Wang X., Chen X., Yang Y. Spatiotemporal control of gene expression by a light-switchable transgene system // Nat. Methods. 2012. Vol. 9. N 3. P. 266–269.

39. Pathak G.P., Losi A., Gartner W.Metagenome-based screening reveals worldwide distribution of LOV-domain proteins // Photochem. Photobiol. 2012. Vol. 88. N 1. P. 107–118.

40. Weissenberger S., Schultheis C., Liewald J.F., Erbguth K., Nagal G., Gottschalk A. PACα — an optogenetic tool for in vivo manipulation of cellular cAMP levels, neurotransmitter release, and behavior in Caenorhabditis elegans // J. Neurochem. 2011. Vol. 116. N 6. P. 616–625.


Для цитирования:


Фрайкин Г.Я., Страховская М.Г., Беленикина Н.С., Рубин А.Б. LOV- И BLUF-ФЛАВОПРОТЕИНЫ: РЕГУЛЯТОРНЫЕ ФОТОРЕЦЕПТОРЫ МИКРООРГАНИЗМОВ И ФОТОСЕНСОРНЫЕ АКТИВАТОРЫ В ОПТОГЕНЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ. Вестник Московского университета. Серия 16. Биология. 2016;(1):57-65.

For citation:


Fraikin G.Y., Strakhovskaya M.G., Belenikina N.S., Rubin A.B. LOV AND BLUF FLAVOPROTEINS: REGULATORY PHOTORECEPTORS OF MICROORGANISMS AND PHOTOSENSORY ACTUATORS IN OPTOGENETIC SYSTEMS. Vestnik Moskovskogo universiteta. Seriya 16. Biologiya. 2016;(1):57-65. (In Russ.)

Просмотров: 92


ISSN 0137-0952 (Print)