왜곡된 레티날과 박테리오로돕신의 K 중간체에 있는 주변 잔기와의 상호작용에 대한 상세한 분석

커뮤니케이션 생물학 6권, 기사 번호: 190(2023) 이 기사 인용

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양성자 펌핑 박테리오로돕신의 K 중간체는 레티날이 13시스 형태로 이성질체화된 후 생성된 첫 번째 중간체입니다. 지금까지 K 중간체에 대해 다양한 구조가 보고되었지만, 특히 망막 발색단의 형태와 주변 잔기와의 상호작용 측면에서 서로 다릅니다. 우리는 K 구조의 정확한 X선 결정학 분석을 여기에 보고합니다. 13-cis 레티날의 폴리엔 사슬은 S자 모양으로 관찰됩니다. Schiff-염기 연결을 통해 레티날에 공유 결합된 Lys216의 측쇄는 잔기 Asp85 및 Thr89와 상호작용합니다. 또한, 양성자화된 Schiff-염기 결합의 Nζ-H는 잔류물 Asp212 및 물 분자 W402와 상호작용합니다. 이 K 구조에 대한 양자 화학적 계산을 기반으로 우리는 레티날의 왜곡된 형태의 안정화 요소를 조사하고 다음 L 중간체에 대한 완화 방식을 제안합니다.

박테리오로돕신(bR)은 고세균인 Halobacterium salinarum1,2의 원형질막에서 발생하는 빛 구동 양성자 펌프이며 현재 가장 집중적으로 연구되는 막 단백질 중 하나입니다3,4. 이온 펌프, 채널 및 센서 역할을 하는 유사한 미생물 로돕신이 고세균뿐만 아니라 박테리아, 곰팡이, 심지어 바이러스에서도 발견되었습니다5,6,7. bR8과 같은 이들 단백질은 모두 7개의 막관통 나선과 중앙 망막 발색단을 가지고 있습니다. 레티날은 긴 공액 이중 결합을 가진 폴리엔 골격을 가지고 있습니다. bR의 경우, 망막 발색단은 위치 216(Lys216)의 라이신 잔기와 쉬프 염기(SB) 결합을 형성합니다. 레티날은 빛에 적응된 휴식 상태에서 전 트랜스 형태를 취합니다. 빛 흡수는 레티날의 C13-C14에서 이중 결합이 트랜스에서 시스 형태로 이성질화되도록 합니다. 구조적 변화는 단백질 부분으로 전파되어 각각의 기능이 발현된다.

bR의 경우 일련의 중간체(I, J, K, L, M, N, O)가 순차적으로 생성되는 반응 주기가 발생합니다. bR의 반응 주기에서 단일 양성자는 원형질막 내부에서 외부로 운반됩니다. 실온9에서 590 nm에서 흡수 피크를 특징으로 하는 K 중간체는 레티날이 13-시스 형태로 이성질체화된 후 생성된 첫 번째 중간체입니다. K 중간체는 극저온에서 빛 조사에 의해 포획될 수 있습니다. 극저온에서 생성된 K 중간체는 실온에서 일시적으로 생성된 것과 진동 밴드에서 거의 동일한 특성을 갖는 것으로 나타났습니다. K 중간체의 구조는 X선 결정학13,14,15,16(보충 표 1)과 결합된 저온 트래핑 기술을 통해 처음 조사되었습니다. 구조는 또한 시간 분해 직렬 펨토초 결정학(TR-SFX) 연구17,18,19(보충 표 1)를 통해 조사되었습니다. 이러한 조사를 통해 K 중간체 형성 시 구조적 변화는 작으며 여전히 레티날 주변 부근으로 제한되어 있음이 밝혀졌습니다. 따라서 K 중간체는 단백질 내 에너지 저장 및 전파에 대한 통찰력을 제공할 수 있는 잠재력을 지닌 흥미로운 연구 주제입니다. 그러나 이전에 보고된 레티날의 구조와 주변 잔기와의 상호 작용에 대한 세부 사항에서 많은 불일치가 발견될 수 있습니다. 이러한 이유로 저장된 에너지에 대한 추정이 ~50 kJ/mol20로 이루어졌음에도 불구하고 단백질 내 에너지 저장 및 전파의 중요한 점은 잘 이해되지 않은 채 남아 있습니다.

빛에 의해 세포를 조작하는 능력은 최근 광유전학에 의한 뉴런 및 기타 세포의 의도적인 활성화를 위해 빛 구동 로돕신의 사용으로 이어졌습니다. 또한, 사진 재료에서의 bR 사용에 대한 광범위한 연구가 수행되었습니다23,24. 로돕신 및 기타 광활성 단백질을 사용하는 응용 개발 측면에서 발색단의 광이성질화가 단백질의 기능적 움직임으로 변환되는 메커니즘을 해명하는 것이 중요합니다. 따라서 본 연구에서는 가장 잘 연구된 광활성 단백질 중 하나인 bR에 초점을 맞추고 고해상도 구조 분석을 수행하여 망막 발색단의 형태와 K 중간체의 단백질 주변과의 상호 작용을 정확하게 결정했습니다.