FTIR-spektroskopische Untersuchungen zum Aktivierungsmechanismus von bovinem und humanem Rhodopsin
Creators: name: Kazmin, Roman
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin, Lebenswissenschaftliche Fakultät
Year: 2015
Subjects: subject: GPCR
subject: FTIR-Spektroskopie
subject: Rezeptoraktivierung humanes Rhodopsin
subject: UV/Vis-Spektroskopie
subject: ortsspezische Mutagenese
subject: Tyrosin
subject: FTIR-spectroscopy
subject: receptor activation
subject: human rhodopsin
subject: UV/Vis-spectroscopy
subject: site-directed mutagenesis
subject: tyrosine
subject: 570 Biowissenschaften, Biologie
subject: 32 Biologie
subject: WE 5240

description: Das aus dem Apoprotein Opsin und dem kovalent gebundenen Liganden bestehende Rhodopsin dient als Modellsystem für den Aktivierungsmechanismus der größten Klasse von G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCR). Infolge einer photochemischen Reaktion vollführt Rhodopsin eine Bewegungsabfolge von Sekundärstrukturelementen, wodurch es aktiviert wird, das G-Protein bindet und den Stimulus auf zellinterne Signalwege überträgt. Mithilfe der ortsspezifischen Mutagenese wurden Mutanten des bovinen Rhodopsins erzeugt, in eine künstliche Lipidumgebung eingelagert und hauptsächlich mittels FTIR-Spektroskopie untersucht. Anhand der Y191F- und Y192F-Mutanten konnte die Translokation des transienten Gegenions der Schiffschen Base Glu181 während der Aktivierung bestimmt werden. Die Interaktionen des Tyr206 sind für die gekoppelte Bewegung von EL2 und TM5 mitbestimmend, was mittels Y206F-Mutante gezeigt wurde. Eine Anhäufung von Methioninen auf der cytoplasmatischen Seite des Rezeptors ist u.a. für das Ausklappen der TM6 zuständig. Diese Bewegung ist wichtige Determinante der Rezeptoraktivierung. Hierfür wurden insgesamt fünf Mutanten verwendet. Im zweiten, hauptsächlichen Teil der Arbeit wird das bislang kaum untersuchte humane Rhodopsin mit dem bovinen Rezeptor verglichen. Ausgehend von verschiedenen Dunkelzuständen, konnte gezeigt werden, dass die Aktivierungsmechanismen beider Rezeptoren voneinander divergieren, um letztlich bei der Bildung der aktiven Spezies wieder zu konvergieren. Über die Analyse der Aminosäuresequenzen der Mammalia-Rhodopsine wurden zwei Bereiche hoher Variabilität identifiziert, die u.a. die molekulare Ursache für diese Diskrepanzen liefern. Diese Feststellung wurde mit human-bovinen-Rhodopsinchimären bewiesen. Ergänzend zu dieser Studie wurde Schafsrhodopsin einem Vergleich sowohl mit bovinem als auch mit humanem Rezeptor unterzogen. Es zeigte, als eine weitere natürlich vorkommende Variante des Lichtrezeptors, einen eigenständigen Weg der Aktivierung.
description: Rhodopsin, which consists of the apoprotein opsin and its covalently bound ligand, is used as a model system to understand the activation mechanism of the large family of G protein coupled receptors (GPCRs). As a result of a photochemical reaction, rhodopsin undergoes activating structural changes, enabling it to bind the G protein and transmitting the stimulus to intracellular signaling pathways. In the first part of this work, site-directed mutants of bovine rhodopsin were produced, incorporated into an artificial lipid environment, and studied mainly by FTIR spectroscopy. The translocation of the transient Schiff base counterion (Glu181) during the activation process was determined using the Y191F- and Y192F-mutants. The interactions of Tyr206 contributed to the coupled movement of EL2 and TM5, which was shown by Y206F-mutant. A striking accumulation of methionines on the cytoplasmic side of the receptor was observed to be a key-player for the activating outward motion of TM6. In the second and primary part of this work, human rhodopsin, which has been rarely studied, was compared with the bovine receptor. Starting from various dark states, it was shown that the activation mechanisms of both receptors diverge from each other and yet ultimately converge in the formation of the active species. By analyzing the amino acid sequences of mammalian rhodopsins, two regions of high variability were identified, which provide the molecular basis for these discrepancies. This finding was verified by the investigation of human/bovine rhodopsin chimeras. In addition to this study, ovine rhodopsin was compared with both the bovine and human forms. It showed, as another naturally occurring variant of the light receptor, an independent pathway of activation.