Rational design of optogenetic tools : from bioinformatic genomic data analysis to electrophysiological validation

Alekseev, Alexey; Gordeliy, Valentin (Thesis advisor); Büldt, Georg (Thesis advisor); Bamberg, Ernst (Thesis advisor); Engelhard, Martin (Thesis advisor)

Aachen : Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (2020, 2021)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Kurzfassung

Mikrobielle Rhodopsine umfassen eine der verschiedensten Kladen von Lichtsammelproteinen. Zu Beginn des 21. Jahrhunderts fanden sie eine außergewöhnliche Anwendung in den Neurowissenschaften mit dem Potenzial zur Erfindung medizinischer Therapien der neuen Generation. Derzeit wurde eine Vielzahl von Channelrhodopsinen funktionell beschrieben. Die Suche nach optogenetischen Werkzeugen mit gewünschten Eigenschaften ist jedoch immer noch eine Herausforderung. In der Arbeit beschreiben wir eine Pipeline zur Identifizierung von mikrobiellen Rhodopsinen mit potenziell neuen Eigenschaften und deren struktureller und funktioneller Charakterisierung. Die Pipeline basiert auf der Methode der Bioinformatik unter Berücksichtigung des aktuellen Wissens über mikrobielle Rhodopsine und bekannte Röntgenstrukturen sowie Patch-Clamp-Aufzeichnungen in Säugetierzellen und kultivierten Neuronen. Zunächst identifizierten wir verschiedene Rhodopsinkladen vom Typ 1, die möglicherweise einzigartige funktionelle Eigenschaften für die Optogenetik aufweisen. Zweitens führten wir eine detaillierte strukturbasierte bioinformatische Analyse von Heliorhodopsinen durch und zeigten, dass sie eine heterogene Klasse von Proteinen bilden. Wir haben mehrere Gruppen von Heliorhodopsinen identifiziert, die unterschiedliche Funktionen besitzen können. Drittens untersuchten wir die Elektrophysiologie von VirChR1, einem Mitglied der viralen Rhodopsin-Gruppe 1. VirChR1 erwies sich als ionenkanalselektiv für einwertige Kationen. Außerdem haben wir gezeigt, dass es kultivierte Hippocampus-Neuronen von Ratten abfeuern kann. Wir haben gezeigt, dass VirChR1 für Ca2 + undurchlässig ist, was dieses Protein zu einem potenziell perspektivischen Werkzeug für die Optogenetik macht. Unter Berücksichtigung aller Daten schließen wir, dass virale Rhodopsine und Heliorhodopsine weit verbreitet sind, und legen auch nahe, dass sie an der globalen Ökologie beteiligt sind.

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