Попытка повышения термостабильности мутантного фотосинтетического реакционного центра Cereibacter sphaeroides с помощью дисульфидных связей

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Методы сайт-направленного мутагенеза успешно используются в структурно-функциональных исследованиях фотосинтетических реакционных центров (РЦ) пурпурных бактерий. Замечено, что многие аминокислотные замены вблизи кофакторов переноса электрона снижают устойчивость РЦ Cereibacter sphaeroides к температуре и влияют на количество РЦ в мембранах. Ранее нами сообщалось [Selikhanov et al. (2023) Membranes, 25, 154], что внесение межсубъединичных дисульфидных мостиков на периплазматической или цитоплазматической поверхности комплекса способствует увеличению термостабильности РЦ C. sphaeroides. В данной работе предпринята попытка повышения термостабильности мутантного РЦ с замещением Ile M206 на Gln с помощью внесения межсубъединичных дисульфидных связей. Этот РЦ представляет значительный интерес для изучения механизмов ранних процессов переноса электронов в РЦ. Был проведен анализ влияния мутаций на количество РЦ в хроматофорах, и обнаружено, что мутация I(M206)Q приводит к двойному уменьшению содержания РЦ в хроматофорах, внесение дисульфидных связей на цитоплазматической или периплазматической сторонах комплекса снижает количество РЦ в мембранах на треть, тройное замещение I(M206)Q/G(M19)C/
T(L214)С – почти в 4 раза, а замещения I(M206)Q/V(M84)C/G(L278)C приводят к нарушению сборки РЦ в мембране. Показано, что внесение межсубъединичной S–S-связи на цитоплазматической поверхности комплекса не оказало существенного влияния на термостабильность РЦ I(M206)Q. Обсуждаются собственные и литературные данные в отношении факторов, влияющих на процессы сборки и обеспечивающих стабильность структуры интегральных мембранных комплексов.

Об авторах

Т. Ю. Фуфина

ФИЦ ПНЦБИ РАН, Институт фундаментальных проблем биологии РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: vsyulya20@yandex.ru
Пущино, Московская обл.

Л. Г. Васильева

ФИЦ ПНЦБИ РАН, Институт фундаментальных проблем биологии РАН

Email: vsyulya20@yandex.ru
Пущино, Московская обл.

Список литературы

  1. Cogdell, R. J., Gall, A., and Köhler, J. (2006) The architecture and function of the light-harvesting apparatus of purple bacteria: from single molecules to in vivo membranes, Q. Rev. Biophys., 39, 227-324, https://doi.org/10.1017/S0033583506004434.
  2. Yeates, T. O., Komiya, H., Chirino, A., Rees, D. C., Allen, J. P., and Feher, G. (1988) Structure of the reaction center from Rhodobacter sphaeroides R-26 and 2.4.1: protein-cofactor (bacteriochlorophyll, bacteriopheophytin, and carotenoid) interactions, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 85, 7993-7997, https://doi.org/10.1073/pnas.85.21.7993.
  3. Леонова М. М., Фуфина Т. Ю., Шувалов В. А., Васильева Л. Г. (2014) Исследование пигмент-белковых взаимодействий в фотосинтетическом реакционном центре пурпурных бактерий, в кн. Современные проблемы фотосинтеза (под ред. Аллахвердиева С.И., Рубина А.Б., Шувалова В.А.), Ижевский институт компьютерных исследований, Москва–Ижевск, том. 1, с. 157-196.
  4. Jones, M. R. (2009) Structural plasticity of reaction centers from purple bacteria, in The Purple Phototrophic Bacteria (Hunter, C. N., Daldal, F., Thurnauer, M. C., and Beatty, J. T., eds) Vol. 28, Springer, Dordrecht, The Netherlands, pp. 295-321, https://doi.org/10.1007/978-1-4020-8815-5_16.
  5. Carter, B., Boxer, S. G., Holten, D., and Kirmaier, C. (2012) Photochemistry of a bacterial photosynthetic reaction center missing the initial bacteriochlorophyll electron acceptor, J. Phys. Chem. B, 116, 9971-9982, https://doi.org/10.1021/jp305276m.
  6. Фуфина Т. Ю., Леонова М. М., Хатыпов Р. А., Христин А. М., Шувалов В. А., Васильева Л. Г. (2019) Особенности аксиального лигандирования бактериохлорофиллов в фотосинтетическом реакционном центре пурпурных бактерий, Биохимия, 84, 509-519, https://doi.org/10.1134/S0006297919040047.
  7. Singh, V. K., Ravi, S. K., Ho, J. W., Wong, J. K. C., Jones, M. R., and Tan, S. C. (2018) Biohybrid photoprotein semiconductor cells with deep lying redox shuttles achieve a 0.7 V photovoltage, Adv. Funct. Mater., 28, 1703689, https://doi.org/10.1002/adfm.201703689.
  8. Фуфина Т. Ю., Васильева Л. Г. (2021) Влияние детергентов и осмолитов на термостабильность нативных и мутантных реакционных центров Rhodobacter sphaeroides, Биохимия, 86, 607-614, https://doi.org/10.1134/S000629792104012X.
  9. Holden-Dye, K., Crouch, L. I., Williams, C. M., Bone, R. A., Cheng, J., Böhles, F., et al. (2011) Opposing structural changes in two symmetrical polypeptides bring about opposing changes to the thermal stability of a complex integral membrane protein, Arch. Biochem. Biophys., 505, 160-170, https://doi.org/10.1016/j.abb.2010.09.029.
  10. Fufina, T. Y., Selikhanov, G. K., Gabdulkhakov, A. G., and Vasilieva, L. G. (2023) Properties and crystal structure of the Cereibacter sphaeroides photosynthetic reaction center with double amino acid substitution I(L177)H + F(M197)H, Membranes, 13, 157, https://doi.org/10.3390/membranes13020157.
  11. Fufina, T. Yu., and Vasilieva, L. G. (2023) Role of hydrogen-bond networks on the donor side of photosynthetic reaction centers from purple bacteria, Biophys. Rev., 15, 921-937, https://doi.org/10.1007/s12551-023-01109-x.
  12. Selikhanov, G., Atamas, A., Yukhimchuk, D., Fufina, T., Vasilieva, L., and Gabdulkhakov, A. (2023) Stabilization of Cereibacter sphaeroides photosynthetic reaction center by the introduction of disulfide bonds, Membranes, 25, 154, https://doi.org/10.3390/membranes13020154.
  13. Фуфина Т. Ю., Третчикова О. А., Христин А. М., Хатыпов Р. А., Васильева Л. Г. (2022) Свойства мутантных фотосинтетических реакционных центров пурпурной бактерии Cereibacter sphaeroides с замещением M206 Ile → Gln, Биохимия, 87, 1447-1458, https://doi.org/10.1134/S000629792210008X.
  14. Хатыпов, Р.А., Васильева, Л.Г., Фуфина, Т.Ю., Болгарина, Т.И., Шувалов, В.А. (2005) Влияние замещения изолейцина L177 гистидином на пигментный состав и свойства реакционных центров пурпурной бактерии Rhodobacter sphaeroides, Биохимия, 70, 1527-1533, https://doi.org/10.1007/s10541-005-0256-3.
  15. Jones, M. R., Visschers, R. W., van Grondelle, R., and Hunter, C. N. (1992) Construction and characterization of a mutant strain of Rhodobacter sphaeroides with the reaction center as the sole pigment-protein complex, Biochemistry, 31, 4458-4465, https://doi.org/10.1021/bi00133a011.
  16. Cohen-Basire, G., Sistrom, W. R., and Stanier, R. Y. (1957) Kinetic studies of pigment synthesis by non-sulfur purple bacteria, J. Cell Comp. Physiol., 49, 25-68, https://doi.org/10.1002/jcp.1030490104.
  17. Goldsmith, J. O., and Boxer, S. G. (1996) Rapid isolation of bacterial photosynthetic reaction centers with an engineered poly-histidine tag, Biochim. Biophys. Acta, 1276, 171-175, https://doi.org/10.1016/0005-2728(96)00091-6.
  18. Fufina, T. Y., Vasilieva, L. G., Khatypov, R. A., Shkuropatov, A. Y., and Shuvalov, V. A. (2007) Substitution of isoleucine L177 by histidine in Rhodobacter sphaeroides reaction center results in the covalent binding of PA bacteriochlorophyll to the L subunit, FEBS Lett., 581, 5769-5773, https://doi.org/10.1016/j.febslet.2007.11.032.
  19. DeLano, W. L. (2022) The PyMOL Molecular Graphics System, URL: http://www.pymol.org (accessed on 8 November 2022).
  20. Kangur, L., Jones, M. R., and Freiberg, A. (2017) Hydrogen bonds in the vicinity of the special pair of the bacterial reaction center probed by hydrostatic high-pressure absorption spectroscopy, Biophys. Chem., 231, 27-33, https://doi.org/10.1016/j.bpc.2017.04.003.
  21. Xie, G., Gross, A. K., and Oprian, D. D. (2003) An Opsin mutant with increased thermal stability, Biochemistry, 42, 1995-2001, https://doi.org/10.1021/bi020611z.
  22. Popov, P., Peng, Y., Shen, L., Stevens, R. C., Cherezov, V., Liu, Z.-J., Katritch, V. (2018) Computational design of thermostabilizing point mutations for G protein-coupled receptors, eLife, 7, e34729, https://doi.org/10.7554/eLife.34729.
  23. Dezi, M., Francia, F., Mallardi, A., Colafemmina, G., Palazzo, G., and Venturoli, G. (2007) Stabilization of charge separation and cardiolipin confinement in antenna–reaction center complexes purified from Rhodobacter sphaeroides, Biochim. Biophys. Acta, 1767, 1041-1056, https://doi.org/10.1016/j.bbabio.2007.05.006.
  24. Bracun, L., Yamagata, A., Christianson, B. M., Shirouzu, M., and Liu, L. N. (2023) Cryo-EM structure of a monomeric RC-LH1-PufX supercomplex with high-carotenoid content from Rhodobacter capsulatus, Structure, 31, 318, https://doi.org/10.1016/j.str.2023.01.006.
  25. 25.Cao, P., Bracun, L., Yamagata, A., Christianson, B. M., Negami, T., Zou, B., Terada, T., Canniffe, D. P., Shirouzu, M., Li, M., and Liu, L.N. (2022) Structural basis for the assembly and quinone transport mechanisms of the dimeric photosynthetic RC-LH1 supercomplex, Nat. Commun., 13, 1977-1977, https://doi.org/10.1038/s41467-022-29563-3.
  26. Doig, J., Andrew, C. D., Cochran, D. A. E., Hughes, E., Penel, S., Ke Sun, J., Stapley, B. J., Clarke, D. T., and Jones, G. R. (2001) Structure, stability and folding of the a-helix, Biochem. Soc. Symp., 68, 95-110, https://doi.org/10.1042/bss0680095.
  27. Doig, A. J. (2008) Stability and design of α-helical peptides, Prog. Mol. Biol. Trans. Sci., 83, 1-52, https://doi.org/10.1016/s0079-6603(08)00601-6.
  28. Swainsbury, D. J. K., Qian, P., Hitchcock, A., and Hunter, C. N. (2023) The structure and assembly of reaction centre-light-harvesting 1 complexes in photosynthetic bacteria, Biosci. Rep., 31, BSR20220089, https://doi.org/10.1042/BSR20220089.
  29. Niederman, R. A., Mallon, D. E., and Langan, J. J. (1976) Membranes of Rhodopseudomonas sphaeroides. IV. Assembly of chromatophores in low-aeration cell suspensions, Biochim. Biophys. Acta, 440, 429-447, https://doi.org/10.1016/0005-2728(76)90076-1.
  30. Cartron, M. L., Olsen, J. D., Sener, M., Jackson, P. J., Brindley, A. A., Qian, P., Dickman, M. J., Leggett, G. J., Schulten, K., and Hunter, C. N. (2014) Integration of energy and electron transfer processes in the photosynthetic membrane of Rhodobacter sphaeroides, Biochim. Biophys. Acta, 1837, 1769-1780, https://doi.org/10.1016/j.bbabio.2014.02.003.
  31. Sener, M., Strümpfer, J., Abhishek, S., Hunter, C. N., and Schulten, K. (2016) Overall energy conversion efficiency of a photosynthetic vesicle, eLife, 5, e09541, https://doi.org/10.7554/eLife.09541.
  32. Naylor, G. W., Addlesee, H. A., Gibson, L. C. D., and Hunter, C. (1999) The photosynthesis gene cluster of Rhodobacter sphaeroides, Photosynth. Res., 62, 121-139, https://doi.org/10.1023/A:1006350405674.
  33. Mothersole, D., Jackson, P. J., Vasilev, C., Tucker, J. D., Brindley, A. A., Dickman, M. J., and Hunter, C. N. (2016) PucC and LhaA direct efficient assembly of the light-harvesting complexes in Rhodobacter sphaeroides, Mol. Microbiol., 99, 307-327, https://doi.org/10.1111/mmi.13235.
  34. Pugh, R. J., McGlynn, P., Jones, M. R., and Hunter, C. N. (1998) The LH1–RC core complex of Rhodobacter sphaeroides: interaction between components, time-dependent assembly, and topology of the PufX protein, Biochim. Biophys. Acta, 1366, 301-316, https://doi.org/10.1016/s0005-2 2728(98)00131-5.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рисунок П1. Электрофорез в денатурирующих условиях в 18%-ном полиакриламидном геле.
Скачать (133KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025

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».