緑色の蛍光タンパク質様タンパク質dendra2における光変換収率の強化の構造的基礎

Dendra2は、紫色の光にさらされると、緑から赤発光状態に不可逆的な光変換を受ける蛍光タンパク質のサブクラスに属する、操作されたモノマーGFP様タンパク質です。この光誘発プロセスは、発色団の中性状態でのみ発生し、非局在化Pi-Electronシステムの拡張を伴う骨格切断に起因することが知られています。Dendra2の緑色種のX線構造を測定し、緑と赤の両方の形態でタンパク質の光吸収と蛍光特性の包括的な特性評価を行いました。密接に関連するタンパク質EOSFPおよびKAEDEについて報告されている構造と非常によく似た構造は、主にArg66と帯電した水素結合されたアミノ酸と水分子の水素結合クラスターの一部である水分子W4を含む局所構造変化を明らかにしました。発色団の隣。EOSFPやKaedeとは異なり、Dendra2のArg66は、イミダゾリノンカルボニルへの水素結合により、イミダゾリノン環の負電荷安定化に寄与しません。この構造的変化は、吸収帯と放射帯の青いシフト、ならびに発色団のヒドロキシフェニル部分の著しく高いpksを説明するかもしれません。光変換の作用スペクトルは、中性種の吸収帯と一致します。その結果、生理学的pHでのDENDRA2の20倍の強化は、EOSFPと比較してこのタンパク質のより高い光変換収率を説明します。

Dendra2 is an engineered, monomeric GFP-like protein that belongs to a subclass of fluorescent proteins undergoing irreversible photoconversion from a green- to a red-emitting state upon exposure to purple-blue light. This photoinduced process occurs only in the neutral state of the chromophore and is known to result from backbone cleavage accompanied by an extension of the delocalized pi-electron system. We have measured the X-ray structure of the green species of Dendra2 and performed a comprehensive characterization of the optical absorption and fluorescence properties of the protein in both its green and red forms. The structure, which is very similar to those reported for the closely related proteins EosFP and Kaede, revealed a local structural change involving mainly Arg66 and a water molecule W4, which are part of a charged and hydrogen-bonded cluster of amino acids and water molecules next to the chromophore. Unlike in EosFP and Kaede, Arg66 of Dendra2 does not contribute to negative charge stabilization on the imidazolinone ring by hydrogen bonding to the imidazolinone carbonyl. This structural change may explain the blue shift of the absorption and emission bands, as well as the markedly higher pKs of the hydroxyphenyl moiety of the chromophore, which were determined as 7.1 and 7.5 for the green and red species, respectively. The action spectrum of photoconversion coincides with the absorption band of the neutral species. Consequently, its 20-fold enhancement in Dendra2 at physiological pH accounts for the higher photoconversion yield of this protein as compared to EosFP.