Rhodopsin Project

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The review examines the history of the emergence, development, and achievements of the Rhodopsin project, organized by Yu.A. Ovchinnikov in 1973. The current state of some issues related to the structure and function of retinal-containing proteins – types I and II rhodopsins – is also presented.

Full Text

Restricted Access

About the authors

M. A. Ostrovsky

Lomonosov Moscow State University; Emanuel Institute of Biochemical Physics, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: ostrovsky3535@mail.ru

Department of Molecular Physiology, School of Biology, Lomonosov Moscow State University

Russian Federation, Moscow, 119234; Moscow, 119334

References

  1. Oesterhelt D., Stoeckenius W. 1971. Rhodopsin-like protein from the purple membrane of Halobacterium halobium. Nat. New. Biol. 233, 149–152. doi: 10.1038/newbio233149a0
  2. Чекулаева Л.Н. 1977. Особенности развития культуры Halobacterium halobium. Микробиология. 46 (2), 288–294.
  3. Kayushin L.P., Skulachev V.P. 1974. Bacteriorhodopsin as an electrogenic proton pump: reconstitution of bacteriorhodopsin proteoliposomes generating delta psi and delta pH. FEBS Lett. 39 (1), 39–42. doi: 10.1016/0014-5793(74)80011-6. PMID: 4850730
  4. Ovchinnikov Y.A., Abdulaev N.G., Feigina M.Y., Kiselev A.V., Lobanov N.A. 1979. The structural basis of the functioning of bacteriorhodopsin: an overview. FEBS Lett. 100 (2), 219–224. doi: 10.1016/0014-5793(79)80338
  5. Khorana H.G., Gerber G.E., Herlihy W.C., Gray C.P., Anderegg R.J., Nihei K,. Biemann K. 1979. Amino acid sequence of bacteriorhodopsin. Proc. Natl. Acad .Sci. USA. 76 (10), 5046–5050. doi: 10.1073/pnas.76.10.5046
  6. Овчинников Ю.А., Абдулаев Н.Г., Фейгина М.Ю., Артамонов И.Д., Богачук А.С. 1983. Зрительный родопсин: Полная аминокислотная последовательность и топология в мембране. Биоорган. химия. 10, 1331–1340.
  7. Hargrave P.A., Mcdowell J.H., Curtis D.R., Wang J.K., Juszczak E., Fong S.L., Rao J.K., Argos P. 1983. The structure of bovine rhodopsin. Biophys. Struct. Mech. 9, 235–244.
  8. Feldman T.B., Ivankov O.I., Kuklin A.I., Murugova T.N., Yakovleva M.A., Smitienko O.A., Kolchugina I.B., Round A., Gordeliy V.I., Belushkin A.V., Ostrovsky M.A. 2019. Small-angle neutron and X-ray scattering analysis of the supramolecular organization of rhodopsin in photoreceptor membrane. Biochim. Biophys. Acta Biomembr. 1861 (10), 183000. doi: 10.1016/j.bbamem.2019.05.022
  9. Ovchinnikov Yu.A., Abdulaev N.G., Zolotarev A.S., Artamonov I.D., Bespalov I.A., Dergachev A.E., Tsuda M. 1988. Octopus rhodopsin. Amino acid sequence deduced from cDNA. FEBS Lett. 232 (1), 69–72. doi: 10.1016/0014-5793(88)80388-0
  10. Ovchinnikov Yu.A., Lipkin V.M., Shuvaeva T.M., Bogachuk A.P., Shemyakin V.V. 1985. Complete amino acid sequence of gamma-subunit of the GTP-binding protein from cattle retina. FEBS Lett. 179 (1), 107–110. doi: 10.1016/0014-5793(85)80201-5
  11. Lipkin V.M., Udovichenko I.P., Bondarenko V.A., Yurovskaya A.A., Telnykh E.V., Skiba N.P. 1990. Site-directed mutagenesis of the inhibitory subunit of retinal rod cyclic GMP phosphodiesterase. Biomed. Sci. 1 (3), 305–308.
  12. Kovalev K., Volkov D., Astashkin R., Alekseev A., Gushchin I., Haro-Moreno J.M., Chizhov I., Siletsky S., Mamedov M., Rogachev A., Balandin T., Borshchevskiy V., Popov A., Bourenkov G., Bamberg E., Rodriguez-Valera F., Büldt G., Gordeliy V. 2020. High-resolution structural insights into the heliorhodopsin family. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 117, 4131–4141. doi: 10.1073/pnas.1915888117
  13. Rozenberg A., Inoue K., Kandori H., Béjà O. 2021. Microbial rhodopsins: The last two decades. Annu. Rev. Microbiol. 75, 427–447. doi.org/10.1146/annurev-micro-031721-020452
  14. Gordeliy V., Kovalev K., Bamberg E., Rodriguez V., Zinovev E., Zabelskii D., Alekseev A., Rosselli R., Gushchin I., Okhrimenko I. 2022. Microbial rhodopsins, Methods Mol. Biol. 2501, 1–52. doi: 10.1007/978-1-0716-2329-9_1
  15. Островский М.А., Смитиенко О.А., Боченкова А.В., Фельдман Т.Б. 2023. Сходство и различия родопсинов фотохимии родопсинов I и II типов. Биохимия. 88 (10), 1847–1866.
  16. Hofmann K.P., Lamb T.D. 2023. Rhodopsin, light-sensor of vision. Prog. Retin. Eye Res. 93, 101116. doi: 10.1016/j.preteyeres.2022.101116
  17. Островский М.А. 2020. Молекулярная физиология зрительного пигмента родопсина: актуальные направления. Рос. физиол. журн. им. И.М. Сеченова. 106 (4), 401–420. doi: 10.31857/S0869813920040056
  18. Островский М.А. 2017. Родопсин: эволюция и сравнительная физиология. Палеонтол. журн. 5, 103–113.
  19. Feuda R., Menon A.K., Göpfert M.C. 2022. Rethinking opsins. Mol Biol Evol. 39 (3), msac033. doi: 10.1093/molbev/msac033
  20. Bulzu P.-A., Kavagutti V.S., Andrei A.-S., Ghai R. 2022. The evolutionary kaleidoscope of rhodopsins. mSystems. 7, e00405-22. doi 10.1128/ msystems.00405-22
  21. Kojima K., Sudo Y. 2023. Convergent evolution of animal and microbial rhodopsins, RSC Adv. 13, 5367–5381. doi: 10.1039/d2ra07073a
  22. Кирпичников М.П., Островский М.А. 2023. Оптогенетика: фундаментальные и прикладные аспекты. Вестник РАН. 93 (9), 798–805. doi: 10.31857/S0869587323090086
  23. Drachev L.A., Jasaitis A.A., Kaulen A.D., Kondrashin A.A., Liberman E.A., Nemecek I.B., Ostroumov S.A., Semenov A.Yu., Skulachev V.P. 1974. Direct measurement of electric current generation by cytochrome oxidase, H+-ATPase and bacteriorhodopsin. Nature. 249, (455), 321–324. doi: 10.1038/249321a0
  24. Drachev L.A, Jasaitis A.A, Mikelsaar H., Nemecek I.B., Semenov A.Y., Semenova E.G., Severina I.I., Skulachev V.P. 1976. Reconstitution of biological molecular generators of electric current. H+-ATPase. J. Biol. Chem. 251 (22), 7077–7082.
  25. Drachev L.A, Kaulen A.D, Skulachev V.P. 1978. Time resolution of the intermediate steps in the bacteriorhodopsin-linked electrogenesis. FEBS Lett. 87 (1), 161–167. doi: 10.1016/0014-5793(78)80157-4
  26. Skulachev V.P. 1976. Conversion of light energy into electric energy by bacteriorhodopsin. FEBS Lett. 64 (1), 23–25. doi: 10.1016/0014-5793(76)80239-6
  27. Bibikov S.I., Grishanin R.N., Kaulen A.D., Marwan W., Oesterhelt D., Skulachev V.P. 1993. Bacteriorhodopsin is involved in halobacterial photoreception. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 90 (20), 9446–9450. doi: 10.1073/pnas.90.20.9446
  28. Большаков В.И., Драчев Л.А., Каламкаров Г.Р., Каулен А.Д., Островский М.А., Скулачев В.П. 1979. Общность свойств бактериального и зрительного родопсинов: превращение энергии света в разность электрических потенциалов. ДАН СССР. 249, 1462–1466.
  29. Drachev L.A., Kalamkarov G.R., Kaulen A.D., Ostrovsky M.A., Skulachev V.P. 1981. Fast stages of photoelectric processes in biological membranes. II. Visual rhodopsin. Eur. J. Biochem. 117, 471–481. doi: 10.1111/j.1432-1033.1981.tb06362.x
  30. Drachev L.A., Kaulen A.D, Khitrina L.V., Skulachev V.P. 1981. Fast stages of photoelectric processes in biological membranes. I. Bacteriorhodopsin. Eur. J. Biochem. 117, 461–470. doi 10.1111/ j.1432-1033.1981.tb06361.x
  31. Шевченко Т.Ф., Каламкаров Г.Р., Островский М.А. 1987. Отсутствие переноса Н+ через фоторецепторную мембрану в ходе фотолиза родопсина. Сенсорные системы. 1, 117–126.
  32. Погожева И.Д., Кузнецов В.А., Лившиц В.А., Федорович И.Б., Островский М.А. 1985. Фотоиндуцированные изменения в гидрофильной области молекулы родопсина. Исследование методом ЭПР-спектроскопии с переносом насыщения, Биол. мембраны. 2 (9), 880–896.
  33. Hofmann K.P., Lamb T.D. 2023. Rhodopsin, light-sensor of vision. Prog. Retin. Eye Res. 93, 101116. doi: 10.1016/j.preteyeres.2022.101116
  34. Brindley G.S., Gardner-Medwin A.R. 1966. The origin of the early receptor potential of the retina. J. Physiol. 182, 185–194. doi: 10.1113/jphysiol.1966. sp007817
  35. Всеволодов Н.Н., Чекулаева Л.Н. 1978. Спектральные превращения фотопродуктов в клетках Halobacterium halobium. Биофизика. 23 (1), 99–104.
  36. Всеволодов Н.Н., Иваницкий Г.Р. 1985. Биологические светочувствительные комплексы как фотоносители технической информации. Биофизика. 30 (5), 962–967.
  37. Vsevolodov N. 2011. Biomolecular Electronics: An Introduction via Photosensitive Proteins. Boston: Birkhäuser, 296 p.
  38. Druzhko A.B. 2023 .Some aspects of using the fundamental properties of bacteriorhodopsin for recording, processing, and storage of optical information. J. Photochem. Photobiol. C: Photochem. 56, 100620. https://doi.org/10.1016/j.jphotochemrev.2023.100620
  39. Fesenko E.E., Kolesnikov S.S., Lyubarsky A.L. 1985. Induction by cyclic GMP of cationic conductance in plasma membrane of retinal rod outer segment. Nature. 313 (6000), 310–313. doi: 10.1038/313310a0
  40. Кронгауз В.А., Шифрина Р.Р., Федорович И.Б., Островский М.А. 1975. Фотохромия зрительных пигментов. 1. Образование изохромных продуктов при обратимых превращениях родопсина лягушки. Биофизика. 20 (2), 219–224.
  41. Кронгауз В.А., Шифрина Р.Р., Федорович И.Б., Островский М.А. 1975. Фотохромия зрительных пигментов. 2. Кинетика фотопревращений родопсина лягушки. Биофизика. 20 (3), 419–424.
  42. Кронгауз В.А., Шифрина Р.Р., Федорович И.Б., Островский М.А. 1975. Фотохромия зрительных пигментов. 3. Сравнительное исследование фотопревращений родопсина быка и лягушки, Биофизика. 20 (3), 426–430.
  43. Ostrovsky M.A., Weetall H.H. 1998. Octopus rhodopsin photoreversibility of a crude extract from whole retina over several weeks duration. Biosens Bioelectron. 13 (1), 61–65.
  44. Smitienko O., Nadtochenko V., Feldman T., Balatskaya M., Shelaev I., Gostev F., Sarkisov O., Ostrovsky M. 2014. Femtosecond laser spectroscopy of the rhodopsin photochromic reaction: A concept for ultrafast optical molecular switch creation (ultrafast reversible photoreaction of rhodopsin). Molecules. 19, 18351–18366. doi: 10.3390/molecules191118351
  45. Feldman T.B., Smitienko O.A., Shelaev I.V., Gostev F.E., Nekrasova O.V., Dolgikh D.A., Nadtochenko V.A., Kirpichnikov M.P., Ostrovsky M.A. 2016. Femtosecond spectroscopic study of photochromic reactions of bacteriorhodopsin and visual rhodopsin. J. Photochem. Photobiol. B. 164, 296–305. doi: 10.1016/j.jphotobiol.2016.09.041
  46. Островский М.А., Надточенко В.А. 2021. Фемтохимия родопсинов. Химическая физика. 40, 76–84. doi: 10.31857/S0207401X21040117
  47. Гендель Л.Я., Шапиро А.Б., Федорович И.Б., Круглякова К.Е., Островский М.А. 1972. Исследование методом спиновых зондов фотоиндуцированных конформационных переходов в фоторецепторной мембране. ДАН СССР. 206 (6), 1469–1472.
  48. Погожева И.Д., Кузнецов В.А., Лившиц В.А., Островский М.А. 1985. Конформационная подвижность и взаимодействие доменов родопсина. Биол. мембраны. 2 (9), 897–905.
  49. Van Eps N., Caro L.N., Morizumi T. 2015. Characterizing rhodopsin signaling by EPR spectroscopy: From structure to dynamics. Photochem. Photobiol. Sci. 14 (9), 1586–1597. https://doi.org/10.1039/c5pp00191a
  50. Погожева И.Д., Федорович И.Б., Островский М.А., Эмануэль Н.М. 1981. Фотоповреждение молекулы родопсина. Окисление SH-групп. Биофизика. 26 (3), 398–403.
  51. Meyers S.M., Ostrovsky M.A., Bonner R.F. 2004. A model of spectral filtering to reduce photochemical damage in age-related macular degeneration. Trans. Am. Ophthalmol. Soc. 102, 83–93.
  52. Зак П., Егорова Т., Розенблюм Ю., Островский М. 2005. Спектральная коррекция зрения: научные основы и практические приложения. М.: Научный мир. 192 с.
  53. Boulton M., Dontsov A., Jarvis-Evans J., Ostrovsky M. 1993. Lipofuscin is a photoinducible free radical generator. J. Photochem. Photobiol. B. Biol. 19, 201–204.
  54. Dontsov A.E., Yakovleva M.A., Vasin A.A., Gulin A.A., Aybush A.V., Nadtochenko V.A., Ostrovsky M.A. 2023. Understanding the mechanism of light-induced age-related decrease in melanin concentration in retinal pigment epithelium cells. Int. J. Mol. Sci. 24 (17), 13099. doi: 10.3390/ijms241713099
  55. Dontsov A., Ostrovsky M. 2024. Retinal pigment epithelium pigment granules: Norms, age relations and pathology. Int. J. Mol. Sci. 25 (7), 3609. doi.org/10.3390/ ijms25073609
  56. Membrane transport processes. 1978. Eds Ovchinnikov Yu.A., Tosteson D., Latorre R. New York: Raven Press. 243 p.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 The Russian Academy of Sciences