Functional Analysis of the Channel Rhodopsin Genes from the Green Algae of the White Sea Basin

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Optogenetics as the method of light-controlled regulation of cellular processes is based on the use of the channel rhodopsins that directly generate photoinduced currents. The largest number of channel rhodopsin genes has been identified in the green microalgae Chlorophyta, and the demand for increasing the number of functionally characterized channel rhodopsins and the diversity of their photochemical parameters keeps growing. We performed the expression analysis of cation channel rhodopsin (CCR) genes in natural isolates of microalgae of the genera Haematococcus and Bracteacoccus from the unique Polar Circle region. The identified full-length CCR transcript of H. lacustris is the product of alternative splicing and encodes the Hl98CCR2 protein with no photochemical activity. The 5′-partial fragment of the B. aggregatus CCR transcript encodes the Ba34CCR protein containing a conserved TM1–TM7 membrane domain and a short cytosolic fragment. Upon heterologous expression of the TM1–TM7 fragment in CHO-K1 cell culture, light-dependent current generation was observed, and its parameters correspond to the characteristics of the CCR. The first discovered functional channel rhodopsin of Bracteacoccus has no close CCR homologs and may be of interest as a candidate for optogenetics.

Full Text

Restricted Access

About the authors

O. V. Karpova

Lomonosov Moscow State University

Author for correspondence.
Email: olgakarpova@ymail.com

Biology Department

Russian Federation, 119991 Moscow

E. N. Vinogradova

Lomonosov Moscow State University; National Research Center “Kurtchatov Institute”

Email: olgakarpova@ymail.com

Biology Department; Genome Center

Russian Federation, 119991 Moscow; 123182 Moscow

A. M. Moisenovich

Lomonosov Moscow State University

Email: olgakarpova@ymail.com

Biology Department

Russian Federation, 119991 Moscow

O. B. Pustovit

Lomonosov Moscow State University

Email: olgakarpova@ymail.com

Biology Department

Russian Federation, 119991 Moscow

А. А. Ramonova

Lomonosov Moscow State University

Email: olgakarpova@ymail.com

Biology Department

Russian Federation, 119991 Moscow

D. V. Abramochkin

Lomonosov Moscow State University

Email: olgakarpova@ymail.com

Biology Department

Russian Federation, 119991 Moscow

E. S. Lobakova

Lomonosov Moscow State University

Email: olgakarpova@ymail.com

Biology Department

Russian Federation, 119991 Moscow

References

  1. Govorunova, E. G., Sineshchekov, O. A., and Spudich, J. L. (2022) Emerging diversity of channelrhodopsins and their structure-function relationships, Front. Cell. Neurosci., 15, 800313, https://doi.org/10.3389/fncel.2021.800313.
  2. Sineshchekov, O. A., Govorunova, E. G., Der, A., Keszthelyi, L., and Nultsch, W. (1992) Photoelectric responses in phototactic flagellated algae measured in cell suspension, J. Photochem. Photobiol. B Biol., 13, 119-134, https://doi.org/10.1016/1011-1344(92)85051-U.
  3. Sineshchekov, O. A., Jung, K.-H., and Spudich, J. L. (2002) Two rhodopsins mediate phototaxis to low- and high-intensity light in Chlamydomonas reinhardtii, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 99, 8689-8694, https://doi.org/10.1073/pnas.122243399.
  4. Govorunova, E. G., Jung, K.-W., Sineshchekov, O. A., and Spudich, J. L. (2004) Chlamydomonas sensory rhodopsins A and B: cellular content and role in photophobic responses, Biophys. J., 86, 2342-2349, https://doi.org/10.1016/S0006-3495(04)74291-5.
  5. Deisseroth, K. (2015) Optogenetics: 10 years of microbial opsins in neuroscience, Nat. Neurosci., 18, 1213-1225, https://doi.org/10038/nn.4091.
  6. Govorunova, E. G., Sineshchekov, O. A., Li, H., Wang, Y., Brown, L. S, Palmateer, A., Melkonian, M., Cheng, S., Carpenter, E., Patterson, J., Wong, G. K., and Spudich, J. L. (2021) Cation and anion channelrhodopsins: sequence motifs and taxonomic distribution, mBio, 12, e0165621, https://doi.org/10128/mBio.01656-21.
  7. Карпова О. В., Виноградова E. Н., Лобакова Е. С. (2022) Идентификация генов канальных родопсинов в зеленых и криптофитовых водорослях Белого и Черного морей, Биохимия, 87, 1492-1504, https://doi.org/10.31857/S0320972522100141.
  8. Galietta, L. J., Haggie, P. M., and Verkman, A. S. (2001) Green fluorescent protein-based halide indicators with improved chloride and iodide affinities, FEBS Lett., 499, 220-224, https://doi.org/10.1016/s00145793(01)02561-3.
  9. Hou, S. Y., Govorunova, E. G., Ntefidou, M., Lane, C. E., Spudich, E. N., Sineshchekov, O. A., Spudich, J. L. (2012) Diversity of Chlamydomonas channelrhodopsins, Photochem. Photobiol., 88, 119-128, https://doi.org/10.1111/j.1751-1097.2011.01027.x.
  10. Klapoetke, N. C., Murata, Y., Kim, S. S., Pulver, S. R., Birdsey-Benson, A., Cho, Y. K., Morimoto, T. K., Chuong, A. S., Carpenter, E. J., Tian, Z., Wang, J., Xie, Y., Yan, Z., Zhang, Y., Chow, B. Y., Surek, B., Melkonian, M., Jayaraman, V., Constantine-Paton, M., Wong, G. K., and Boyden, E. S. (2014) Independent optical excitation of distinct neural populations, Nat. Methods, 11, 338-346, https://doi.org/10.1038/nmeth.2836.
  11. Rozenberg, A., Oppermann, J., Wietek, J., Fernandez Lahore, R. G., Sandaa, R. A., Bratbak, G., Hegemann, P., and Béjà, O. (2020) Lateral gene transfer of anion-conducting channelrhodopsins between green algae and giant viruses, Curr. Biol., 30, 4910-4920, https://doi.org/10.1016/j.cub.2020.09.056.
  12. Nagel, G., Ollig, D., Fuhrmann, M., Kateriya, S., Musti, A. M., Bamberg, E., and Hegemann, P. (2002) Channelrhodopsin-1: a light-gated proton channel in green algae, Science, 296, 2395-2398, https://doi.org/10.1126/science.1072068.
  13. Nagel, G., Szellas, T., Huhn, W., Kateriya, S., Adeishvili, N., Berthold, P., Ollig, D., Hegemann, P., and Bamberg E. (2003) Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 100, 13940-13945, https://doi.org/10073/pnas1936192100.
  14. Говорунова Е. Г., Синещеков О. А. (2023) Канальные родопсины: от фототаксиса к оптогенетике, Биохимия, 88, 1880-1897, https://doi.org/10.1134/S000629792310015.
  15. Hososhima, S., Ueno, S., Okado, S., Inoue, K., and Konno, M. (2023) A light-gated cation channel with high reactivity to weak light, Sci. Rep., 13, 7625, https://doi.org/10.1038/s41598-023-34687-7

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Alignment of the translated amino acid sequences (CLUSTAL Omega) of the Haematococcus CCR gene products and their native transcripts. Hl37CCR, 94 aa; Hl98CCR1, 84 aa; Hl98CCR1-1, 97 aa are fragments of the H. lacustris CCR genes [7]; Hl98CCR2, 350 aa is the native transcript of the 98CCR2 gene; native transcripts are HpChR1 H. pluvialis (lacustris), 677 aa (GenBank: JN596950, [9]); HpChR H. pluvialis (lacustris), 449 aa [11]; HNG2ChR Haematococcus sp. NG2, 350 aa. [11]; HdChR H. droebakensis (GenBank: KF992059, 307 aa [10]); CrChR2 C. reinhardtii, 737 aa (GenBank: AF508966, [3]). Functionally significant amino acid residues (given in CrChR2 numbering) are highlighted in color: Glu (82, 83, 90, 97, 101 and 123) – red; Glu235 and Ser245 – blue; Lys257 – green; Ser321 – yellow.

Download (906KB)
3. Fig. 2. Alignment of translated amino acid sequences (CLUSTAL Omega) of the products of native CCR transcripts of Bracteacoccus and Chlamydomonas. Ba34CCR, 325 aa is a partial transcript of the 34CCR gene of B. aggregatus NAMSU-BM-5/15; native transcripts are CrChR2 of C. reinhardtii, 737 aa (GenBank: AF508966, [3]); CaChR1 of C. augustae, 715 aa (GenBank: JN596951, [9]); CraChR2 of C. raudensis, 635 aa (GenBank: JN596949, [9]); CyChR1 of C. yellowstonensis, 717 aa. (GenBank: JN596948, [9]). Functionally significant amino acid residues (given in CrChR2 numbering) are highlighted in color: Glu (82, 83, 90, 97, 101, and 123) in red; Glu235 and Ser245 in blue; Lys257 in green; Ser321 in yellow.

Download (764KB)
4. Fig. 3. 3D models of identified channelrhodopsins (SWISSMODEL) Ba34CCR (a) and Hl98CCR2 (b). The template is 6eid.1.A, the crystal structure of CrChR2 from C. reinhardtii. N and C indicate the localization of the ends of the polypeptide chain. The color code (from red to blue) shows the level of homology with the template.

Download (194KB)
5. Fig. 4. Study of the localization of expressed rhodopsins Ba34CCR and Hl98CCR2 in CHO-K1 cells by the method of intravital confocal microscopy: Ba34CCR-YFP (upper row) and Hl98CCR2-YFP (lower row). Cell membranes are stained with CellBrite Red, nuclei are stained with Hoechst 33342. The scale is 10 μm.

Download (313KB)
6. Fig. 5. Characteristics of currents generated by Ba34CCR and Hl98CCR2 proteins upon expression in CHO-K1 cells. a – Representative example of original recordings of current through Hl98CCR2 (I98) induced by switching on light with a wavelength of 490 nm of different intensities at a potential level of –20 mV. b – Representative example of original recordings of current through Ba34CCR (I34) of different intensities induced by switching on light with a wavelength of 490 nm (intensity is indicated at the peak of each curve as a percentage of the maximum and in absolute values ​​of mW/mm2) at a potential level of –20 mV. c – Dependence of peak current I34 and plateau current I34 on the intensity of light of 490 nm. g – Volt-ampere curves of peak current and steady-state current (plateau) I34 induced by 490 nm light at 50% intensity of maximum (6.25 mW/mm2)

Download (222KB)

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».