チャネルrhodopsin-2の一時的なプロトン化の変化とチャネルゲーティングとの関連性

光ゲートイオンチャネルチャネルロドプシン（CHR）の発見は、細胞プロセスが光によって制御される光遺伝学の新規分野の段階を設定しました。ただし、Chr2の光誘起陽イオン透過の基礎となる分子メカニズムは不明のままです。ここでは、機能的な電気生理学的測定によって補完された時間分解FTIR分光法により、Chr2の構造変化を追跡しました。チャネルの開いた状態に関連する振動変化を解決しました（P（2）（390）およびP（3）（520））、いくつかのプロトン移動イベントを特徴付けました。アミドIの振動の分析では、膜貫通αヘリックスの水分補給がT（1/2）=60μsで過渡的に増加することを示唆しており、これは陽イオン透過の開始と集計されます。Aspartate 253は、シッフ塩基（T（1/2）=10μs）によって放出される陽子を受け入れ、後者はアスパラギン酸156（T（1/2）= 2 ms）によって再配定されます。バクテリオロドプシンのD212およびD115に対応する内部プロトンアクセプターおよびドナーグループは、他の微生物ロドプシンとは明らかに異なり、タンパク質におけるそれらの空間的位置が進化中に移されたことを示しています。チャネルの開口部におけるグルタミン酸90の関与に関する以前の結論は、E90デプロトネートが非導電性P（4）（480）状態でのみのみであることを実証することにより除外されています。私たちの結果は、観察されたプロトン移動反応と陽イオンチャネルのゲーティングに対するタンパク質立体構造の変化を関連付ける機構的提案に融合します。

The discovery of the light-gated ion channel channelrhodopsin (ChR) set the stage for the novel field of optogenetics, where cellular processes are controlled by light. However, the underlying molecular mechanism of light-induced cation permeation in ChR2 remains unknown. Here, we have traced the structural changes of ChR2 by time-resolved FTIR spectroscopy, complemented by functional electrophysiological measurements. We have resolved the vibrational changes associated with the open states of the channel (P(2)(390) and P(3)(520)) and characterized several proton transfer events. Analysis of the amide I vibrations suggests a transient increase in hydration of transmembrane α-helices with a t(1/2) = 60 μs, which tallies with the onset of cation permeation. Aspartate 253 accepts the proton released by the Schiff base (t(1/2) = 10 μs), with the latter being reprotonated by aspartic acid 156 (t(1/2) = 2 ms). The internal proton acceptor and donor groups, corresponding to D212 and D115 in bacteriorhodopsin, are clearly different from other microbial rhodopsins, indicating that their spatial position in the protein was relocated during evolution. Previous conclusions on the involvement of glutamic acid 90 in channel opening are ruled out by demonstrating that E90 deprotonates exclusively in the nonconductive P(4)(480) state. Our results merge into a mechanistic proposal that relates the observed proton transfer reactions and the protein conformational changes to the gating of the cation channel.