Опсины - это группа белков, которые становятся светочувствительными через хромофор сетчатку (или вариант), обнаруженный в фоторецепторных клетках сетчатки. Пять классических групп опсинов участвуют в зрении, опосредуя преобразование фотона света в электрохимический сигнал, что является первым шагом в каскаде зрительной трансдукции. Другой опсин, обнаруженный в сетчатке млекопитающих, меланопсин, участвует в циркадных ритмах и зрачковых рефлексах, но не в зрении.
Опсины могут можно классифицировать по нескольким направлениям, включая функцию (зрение, фототаксис, фотопериодизм и т. д.), тип хромофора (сетчатка, флавин, билин ), молекулярный структура (третичный, четвертичный ), выходной сигнал (фосфорилирование, восстановление, окисление ) и т. д.
Есть две группы белков, называемых опсинами. Опсины типа I используются прокариотами и некоторыми водорослями (как компонент канальных родопсинов ) и грибами, тогда как животные использовать опсины типа II. За пределами этих групп опсины не обнаружены (например, в растениях или плакозоях ).
Когда-то считалось, что тип I и тип II связаны между собой из-за структурного и функционального сходства. С появлением генетического секвенирования это Стало очевидно, что идентичность последовательностей не больше, чем могла быть объяснена случайным образом. Однако в последние годы были разработаны новые методы, специфичные для глубокой филогении. В результате в нескольких исследованиях были найдены доказательства возможной филогенетические отношения между ними. Однако это не обязательно означает, что последним общим предком опсинов типа I и II сам был опсин, светочувствительный рецептор: все опсины животных возникли (путем дупликации и дивергенции генов) в конце истории большой рецептор, связанный с G-белком (GPCR) семейство генов, которое само возникло после расхождения растений, грибов, хоанфлагеллят и губок от самых ранних животных. Обнаружен хромофор сетчатки только в ветви опсина этого большого семейства генов, что означает, что его появление в другом месте представляет собой конвергентную эволюцию, а не гомологию. Последовательность микробных родопсинов сильно отличается от любого из семейств GPCR. Согласно одной из гипотез, опсины типа I и типа II принадлежат к суперсемейству транспортер-опсин-G-рецептор, связанный с белком (TOG), предполагаемой кладе, которая включает G-рецептор, связанный с белком. (GPCR), переносящий ионы микробный родопсин (MR) и семь других.
опсины типа I (также известные как микробные опсины) представляют собой белки с семью трансмембранными доменами. Большинство из них представляют собой ионные каналы или насосы вместо собственных рецепторов и не связываются с G-белком. Опсины типа I обнаружены во всех трех областях жизни: архей, бактерий и эукариот. У эукариот опсины типа I обнаруживаются в основном в одноклеточных организмах, таких как зеленые водоросли, и в грибах. У большинства сложных многоклеточных эукариот опсины типа I были заменены другими светочувствительными молекулами, такими как криптохром и фитохром в растениях и опсины типа II у Metazoa (животные).
Микробные опсины часто известны по форме молекулы родопсина, то есть родопсин (в широком смысле) = опсин + хромофор. Среди множества видов микробных опсинов можно выделить протонную помпу бактериородопсин (BR) и ксантородопсин (xR), галородопсин (HR), фотосенсоры сенсорного родопсина I ( SRI) и сенсорный родопсин II (SRII), а также протеородопсин (PR), Neurospora опсин I (NOPI), сенсорные родопсины A от Chlamydomonas (CSRA), Сенсорные родопсины В хламидомонады (CSRB), канальный родопсин (ChR) и архаэродопсин (Arch).
Некоторые опсины типа I, такие как протео- и бактериородопсин используются различными группами бактерий для сбора энергии света для осуществления метаболических процессов с использованием пути, не основанного на хлорофилле. Кроме того, галородопсины галобактерий и канальные родопсины некоторых водорослей, например Volvox, служат им как светозависимые ионные каналы, среди прочего, также для фототактических целей. Сенсорные родопсины существуют в галобактериях, которые вызывают фототаксический ответ путем взаимодействия с преобразователем белками, встроенными в мембрану, которые не имеют отношения к G-белкам.
Опсины типа I (например, канальный родопсин, галлородопсин и архаэродопсин ) используются в оптогенетике для включения или выключения нейрональной активности. Опсины типа I предпочтительнее, если активность нейронов должна модулироваться с большей частотой, потому что они реагируют быстрее, чем опсины типа II. Это связано с тем, что опсины типа I являются ионными каналами или протонными / ионными насосами и поэтому активируются непосредственно светом, в то время как опсины типа II активируют G-белки, которые затем активируют эффекторные ферменты, производящие метаболиты для открытия ионных каналов.
Опсины типа II (или опсины животных) являются членами белков с семью трансмембранными доменами (35–55 кДа ) суперсемейства рецепторов, связанных с G-белком (GPCR).
Опсины типа II филогенетически делятся на четыре группы: C-опсины (цилиарные), Cnidops (книдарий опсины), R-опсины (рабдомерные ) и опсины Go / RGR (также известные как опсины RGR / Go или группы 4). Опсины Go / RGR делятся на четыре подкласса: Go-опсины, RGR, перопсины и нейропсины. C-опсины, R-опсины и опсины Go / RGR обнаружены только в Bilateria..
Зрительные опсины типа II традиционно классифицируются как цилиарные или рабдомерные. Цилиарные опсины, обнаруженные у позвоночных и книдарий, прикрепляются к цилиарным структурам, таким как палочки и колбочки. Рабдомерные опсины прикреплены к собирающим свет органеллам, называемым рабдомерами. Эта классификация пересекает филогенетические категории (клады), так что термины «цилиарный» и «рабдомерный» могут быть двусмысленными. Здесь «C-опсины (ресничные)» относятся к кладе, обнаруженной исключительно в Bilateria, и исключают цилиарные опсины книдарий, такие как опсины, обнаруженные в коробчатой медузе. Точно так же «R-опсин (рабдомерный)» включает меланопсин, хотя он не встречается на рабдомерах у позвоночных.
Цилиарные опсины (или ц-опсины) являются экспрессируются в цилиарных фоторецепторных клетках и включают зрительные опсины и энцефалопсины позвоночных. Они преобразуют световые сигналы в нервные импульсы через ионные каналы, управляемые циклическими нуклеотидами, которые работают за счет увеличения разности зарядов на клеточной мембране (т.е. гиперполяризация.)
Зрительные опсины позвоночных - это разновидность C-опсинов (цилиарных). Они выражаются в сетчатке позвоночных и опосредуют зрение. Их можно подразделить на палочковые опсины и четыре типа конусообразных опсинов. Стержневые опсины (родопсины, обычно обозначаемые Rh) используются в условиях слабого зрения, термостабильны и обнаруживаются в стержневых фоторецепторных клетках. Конические опсины, используемые в цветном зрении, представляют собой менее стабильные опсины, расположенные в фоторецепторных клетках конуса. Конические опсины далее подразделяются в соответствии с их максимумами поглощения (λ max), длиной волны, при которой наблюдается наибольшее поглощение света. Эволюционные отношения, выведенные с использованием последовательности аминокислот опсинов, также часто используются для отнесения опсинов колбочек к их соответствующей группе. Оба метода позволяют прогнозировать четыре общие группы опсинов колбочек в дополнение к родопсину.
| ||||||||||||||||||||||||||||
У позвоночных обычно есть четыре опсина колбочек (LWS, SWS1, SWS2 и Rh2), унаследованный от первого позвоночного (и, таким образом, предшествующий первому позвоночному), а также стержневой опсин, родопсин (Rh1), который появился после первого позвоночного, но до первого Gnathostome (челюстное позвоночное). Эти пять опсинов возникли в результате серии дупликаций генов, начиная с LWS и заканчивая Rh1. С тех пор каждый из них превратился в многочисленные варианты и, таким образом, представляет собой семейство или подтип опсинов.
Имя | Сокр. | Фото. рецептор | λmax | Цвет | Вариант человека |
---|---|---|---|---|---|
Чувствительный к длинноволновому излучению | LWS | Конус | 500–570 нм | Зеленый, желтый, красный | OPN1LW " красный "/ OPN1MW" зеленый " |
Чувствительный к коротким волнам 1 | SWS1 | Конус | 355–445 нм | Ультрафиолет, фиолетовый | OPN1SW «синий» (исчезают в монотремах ) |
Чувствительных к коротковолновой части 2 | SWS2 | Cone | 400–470 нм | Фиолетовый, синий | (Вымершие у терианских млекопитающих ) |
Родопсиноподобные 2 | Rh2 | Конус | 480–530 нм | Зеленый | (Вымерший у млекопитающих) |
Родопсиноподобный 1. (родопсин позвоночных) | Rh1 | Жезл | ~ 500 нм | Сине-зеленый | OPN2 / Rho, родопсин человека |
У людей есть следующий набор фоторецепторных белков, ответственных за зрение:
Первый шишковидный опсин (пинопсин) был обнаружен в пинеальной железе цыпленка . Это чувствительный к синему опсин (λ max = 470 нм).
широкий диапазон экспрессии в мозге, особенно в пинеальной области
Опсин позвоночных древних (VA) имеет три изоформы: VA короткая (VAS), VA средняя (VAM) и VA длинная (VAL). Он экспрессируется во внутренней сетчатке, в горизонтальных и амакриновых клетках, а также в шишковидной железе и габенулярной области мозга. Он чувствителен приблизительно к 500 нм [14], обнаружен у большинства классов позвоночных, но не у млекопитающих.
Первый опсин парапинопсин (PP) был обнаружен в сом. Парапинопсин миноги представляет собой УФ-чувствительный опсин (λ max = 370 нм). Костистые люди имеют две группы парапинопсинов: одна чувствительна к УФ (λ max = 360-370 нм), другая - к синему (λ max = 460-480 нм).
Первый париетопсин был обнаружен в фоторецепторных клетках теменного глаза ящерицы. Париетопсин ящерицы чувствителен к зеленому цвету (λ max = 522 нм), и, несмотря на то, что он является к-опсином, как и зрительные опсины позвоночных, он не вызывает гиперполяризацию через Gt-белок, но вызывает деполяризацию. через Go-белок.
Панопсины обнаружены во многих тканях (коже, головном мозге, яичках, сердце, печени, почках, скелетных мышцах, легких, поджелудочной железе и сетчатка). Первоначально они были обнаружены в мозге человека и мыши и, таким образом, названы энцефалопсином.
Первый панопсин беспозвоночных был обнаружен в цилиарных фоторецепторных клетках кольчатых червей Platynereis dumerilii и называется ц (подвздошный) -опсин. Этот c-opsin является УФ -чувствительным (λ max = 383 нм) и может быть настроен на 125 нм на одну аминокислоту (диапазон λ max = 377-502 нм). Таким образом, неудивительно, что у Platynereis dumerilii существует второй, но чувствительный к циану c-opsin (λ max = 490 нм). Первый c-опсин опосредует индуцированный УФ-излучением гравитаксис личинки. Гравитаксис с фототаксисом образует пропорционально-хроматический глубиномер. На разной глубине свет в воде состоит из разных длин волн : сначала остается красный (>600 нм), а также ультрафиолетовый и фиолетовый (< 420 nm) wavelengths disappear. The higher the depth the narrower the spectrum so that only голубой свет (480 нм))., личинки могут определять свою глубину по цвету. Цвет, в отличие от яркости, остается почти постоянным независимо от времени суток или погоды, например, если это облачно.
Панопсины также экспрессируются в мозге некоторых насекомых. Панопсины москита и иглобрюха максимально поглощают при длине волны 500 нм и 460 нм, соответственно. Оба они активируют in vitro белки Gi и Go.
Панопсины костистых рыб называются опсинами костистых множественных тканей (TMT).
Опсины костистости рыб экспрессируются во многих тканях и поэтому называются опсинами множественных тканей костистости (TMT). Опсины TMT образуют три группы, которые наиболее тесно связаны с четвертой группой Фактически, TMT-опсины костистых рыб ортологичны панопсинам у других позвоночных. У них также есть одинаковые интроны и одно и то же место, что подтверждает их принадлежность друг к другу.
Cnidaria, в том числе медузы, кораллы и море анемоны - самые простые животные со сложными глазами. Опсины медуз в ропалии соединяются с Gs-белками, повышая уровень внутриклеточного цАМФ. Коралловые опсины могут связываться с Gq-белками и Gc-белками. Gc-белки - это подтип G-белков, специфичных для книдарий. Книдариевые опсины были идентифицированы как одна группа и так называемые книдопы, однако по крайней мере некоторые из них принадлежат к c-опсинам, r-опсинам и Go / RGR-опсинам, обнаруженным у билатерий.
Рабдомерные опсины (или r-опсины) также известны как Gq-опсины, поскольку они соединяются с Gq-белком. R-опсины используются моллюсками и членистоногими. Членистоногие, по-видимому, обретают цветовое зрение так же, как и позвоночные, за счет использования трех (или более) отдельных групп опсинов, разных как по филогении, так и по спектральной чувствительности. Р-опсин меланопсин также экспрессируется у позвоночных, где он регулирует циркадные ритмы и опосредует зрачковый рефлекс.
В отличие от ц-опсинов, р-опсины связаны с каноническим переходным рецепторным потенциалом иона. каналы; они приводят к устранению разности электрических потенциалов на клеточной мембране (т.е. деполяризация ).
Идентификация кристаллической структуры родопсина кальмара, вероятно, улучшит наше понимание его функции в этой группе.
Членистоногие используют разные опсины для разных типов глаз, но, по крайней мере, в Limulus опсины, экспрессируемые в боковых и сложных глазах, идентичны на 99% и предположительно недавно разошлись.
Участвует в циркадных ритмах, зрачковых рефлексах и цветокоррекции в ситуациях с высокой яркостью. Филогенетически является членом группы R-опсинов (рабдомеров), функционально и структурно и р-опсин, но не встречается в рабдомерах.
Опсины Go / RGR включают Go-опсины, RGR-опсины, нейропсины и перопсины. 236>
Го-опсины отсутствуют у высших позвоночных и экдизозойных животных. Они обнаружены в цилиарные фоторецепторные клетки гребешка глаза и базальной хордовой амфиоксии. Однако в Platynereis dumerilii Go-опсин экспрессируется в рабдомерных фоторецепторных клетках глаза.
RGR-опсины, также известные как Retinal Рецепторы, связанные с G-белком, экспрессируются в пигментном эпителии сетчатки (RPE) и клетках Мюллера. Они предпочтительно связывают в темноте полностью транс-ретиналь, а не 11-цис-ретиналь. Считалось, что опсины RGR являются фотомеразами. Но вместо этого они регулируют движение и производство ретиноидов. В частности, они независимо от света ускоряют производство 11-цис-ретинола (предшественника 11-цис-ретиналя) из полностью транс-ретиниловых эфиров. Однако все транс-ретиниловые сложные эфиры становятся доступными в зависимости от света с помощью RGR-опсинов. Неизвестно, регулируют ли RGR-опсины это посредством G-белка или другого сигнального механизма. Опсин RGR крупного рогатого скота максимально абсорбируется на разных длинах волн в зависимости от значения pH. При высоком pH он максимально поглощает синий (469 нм) свет, а при низком pH - максимально УФ (370 нм) свет.
Перопсин, рецептор, подобный визуальному пигменту, представляет собой белок, который у человека кодируется геном RRH ..
Нейропсины чувствительны к УФА, обычно при 380 нм. Они обнаружены в мозге, семенниках, коже и сетчатке человека и грызунов, а также в мозге и сетчатке глаза птиц. У птиц и грызунов они опосредуют ультрафиолетовое зрение. Они соединяются с Gi-белками. У человека нейропсин кодируется геном OPN5. В сетчатке человека его функция неизвестна. У мышей он фото-захватывает сетчатку и роговицу, по крайней мере, ex vivo.
Эти опсины пинеальной железы, обнаруженные у Actinopterygii (лучеплавниковая рыба), по-видимому, возникли в результате дупликации гена Rh1 (родопсина). Эти опсины, по-видимому, выполняют функции, аналогичные функциям пинопсина, обнаруженного у птиц и рептилий.
Белки опсина ковалентно связываются с ретинальдегидом на основе витамина A хромофор через связь основания Шиффа с остатком лизина в седьмой трансмембранной альфа-спирали. У позвоночных хромофор представляет собой либо 11- цис -ретиналь (A1), либо 11-цис-3,4-дидегидроретиналь (A2), и он находится в связывающем кармане опсина сетчатке. Поглощение фотона света приводит к фотоизомеризации хромофора из 11-цис-конформации в полностью транс-конформацию. Фотоизомеризация вызывает конформационное изменение белка опсина, вызывая активацию каскада фототрансдукции. В транс-форме опсин остается нечувствительным к свету. Он регенерируется путем замены полностью транс-ретиналя на вновь синтезированный 11-цис-ретиналь, полученный из эпителиальных клеток сетчатки. Опсины являются функциональными, будучи связанными с любым хромофором, причем связанный с A2 опсин λ max имеет более длинную длину волны, чем связанный с A1 опсин.
Опсины содержат семь трансмембранных α-спиральных доменов, соединенных тремя внеклеточными и тремя цитоплазматическими петлями. Многие аминокислотные остатки, называемые функционально консервативными остатками, являются высококонсервативными между всеми группами опсина, что указывает на важную функциональную роль. Все положения остатков, обсуждаемые далее, относятся к 348 аминокислоте бычьему родопсину, кристаллизованному Palczewski et al. Lys296 консервативен во всех известных опсинах и служит сайтом для связывания основания Шиффа с хромофором. Cys138 и Cys110 образуют высококонсервативный дисульфидный мостик. Glu113 служит противоионом, стабилизируя протонирование связи Шиффа между Lys296 и хромофором. Glu134-Arg135-Tyr136 - еще один высококонсервативный мотив, участвующий в распространении сигнала трансдукции после поглощения фотона.
Определенные аминокислотные остатки, называемые сайтами настройки спектра, оказывают сильное влияние на значения λ max. Используя сайт-направленный мутагенез, можно выборочно мутировать эти остатки и исследовать результирующие изменения в свойствах поглощения света опсином. Важно различать участки спектральной настройки, остатки, которые влияют на длину волны, на которой опсин поглощает свет, от функционально консервативных участков, остатков, важных для правильного функционирования опсина. Они не исключают друг друга, но по практическим соображениям легче исследовать участки спектральной настройки, которые не влияют на функциональность опсина. Для всестороннего обзора сайтов настройки спектра см. Yokoyama and Deeb. Влияние участков настройки спектра на λ max различается между разными группами опсинов и между группами опсинов разных видов.
Сокр. | Имя | λмакс | Цвет | Глаз | Мозг | Кожа | Расположение в хромосоме a |
---|---|---|---|---|---|---|---|
OPN1LW | L-конус (красный конус), опсин | 557 нм | Желтый | Конус | Н / Д | Н / Д | Xq28 |
OPN1MW | M-конус (зеленый-конус) опсин | 527 нм | Зеленый | Конус | Н / Д | Н / Д | Xq28 |
OPN1SW | S-конус (синий -конус) опсин | 420 нм | Фиолетовый | Конус | Н / Д | Меланоциты, кератиноциты | 7q32.1 |
OPN2 (RHO) | Родопсин | 505 нм | Сине-зеленый | Стержень | Н / Д | Меланоциты, кератиноциты | 3q22.1 |
OPN3 | Энцефалопсин, панопсин | SM | Сине-зеленый | Палочка, колбочка, OPL, IPL, GCL | Кора головного мозга, мозжечок, полосатое тело, таламус, гипоталамус | Меланоциты, кератиноциты | 1q43 |
OPN4 | Меланопсин | 480 нм | Небесно-голубой | ipRGC | Н / Д | Н / Д | 10q23.2 |
OPN5 | Нейропсин | 380 нм | Ультрафиолет | Нервная сетчатка, РПЭ | Передний гипоталамус | Меланоциты, кератиноциты | 6p12.3 |
RRH | Перопсин | Клетки РПЭ - микроворсинки | N / A | Н / Д | 4q25 | ||
RGR | Рецептор сетчатки, связанный с G-белком | Клетки РПЭ | Н / Д | Н / Д | 10q23.1 |
RPE, пигментный эпителий сетчатки ; ipRGC, внутренне светочувствительные ганглиозные клетки сетчатки ; OPL, внешний плексиформный слой ; IPL, внутренний плексиформный слой ; GCL, слой ганглиозных клеток