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単一トリプトファン型光活性オレンジカロテノイド蛋白質におけるカロテノイド-トリプトファン水素結合ダイナミクスの解明
Probing of carotenoid-tryptophan hydrogen bonding dynamics in the single-tryptophan photoactive Orange Carotenoid Protein.
PMID: 32678150 DOI: 10.1038/s41598-020-68463-8.
抄録
オレンジカロテノイドタンパク質（OCP）は、シアノバクテリアの光保護に重要な役割を果たしている。OCPでは、単一の非共有結合ケトカロテノイド分子が光強度センサーとして機能し、このタンパク質は光捕集アンテナとの分子接触を形成する役割を担っており、その蛍光はOCPによって消光される。この生理的相互作用の活性化には、光励起されたカロテノイドからタンパク質マトリックスへの信号伝達が必要である。最近の研究では、カロテノイドとタンパク質の構造変化の間に非同期性があることが明らかになってきた。本質的なトリプトファン（Trp）蛍光は、OCPの光サイクル中のタンパク質部分に関する貴重な情報を提供してきた。しかし、野生型OCPには5つのTrp残基が含まれており、部位特異的な情報の抽出は不可能であった。本研究では、最も重要なトリプトファン残基(Trp-288)のみが存在する完全に光活性なOCP変異体(OCP-3FH)の光サイクルを解析することで、この問題を克服しました。Trp-288は、カロテノイドのケト酸素と水素結合を形成し、OCPをその暗順応状態に維持するために特別に注目されている。フェムト秒ポンププローブ蛍光分光法を用いて、OCP-3FHの光サイクルを分析し、OCPのカロテノイドの最近発見されたS*状態の生成が水素結合の切断に先行していることを示唆する非常に最初の中間体の形成速度を決定した。したがって、ユニークな光活性OCP-3FH変異体のTrp蛍光に続いて、我々は、H結合の切断速度を同定し、野生型OCPの光活性化に伴う初期のイベントについての新しい洞察を提供しました。
The photoactive Orange Carotenoid Protein (OCP) plays a key role in cyanobacterial photoprotection. In OCP, a single non-covalently bound keto-carotenoid molecule acts as a light intensity sensor, while the protein is responsible for forming molecular contacts with the light-harvesting antenna, the fluorescence of which is quenched by OCP. Activation of this physiological interaction requires signal transduction from the photoexcited carotenoid to the protein matrix. Recent works revealed an asynchrony between conformational transitions of the carotenoid and the protein. Intrinsic tryptophan (Trp) fluorescence has provided valuable information about the protein part of OCP during its photocycle. However, wild-type OCP contains five Trp residues, which makes extraction of site-specific information impossible. In this work, we overcame this problem by characterizing the photocycle of a fully photoactive OCP variant (OCP-3FH) with only the most critical tryptophan residue (Trp-288) in place. Trp-288 is of special interest because it forms a hydrogen bond to the carotenoid's keto-oxygen to keep OCP in its dark-adapted state. Using femtosecond pump-probe fluorescence spectroscopy we analyzed the photocycle of OCP-3FH and determined the formation rate of the very first intermediate suggesting that generation of the recently discovered S* state of the carotenoid in OCP precedes the breakage of the hydrogen bonds. Therefore, following Trp fluorescence of the unique photoactive OCP-3FH variant, we identified the rate of the H-bond breakage and provided novel insights into early events accompanying photoactivation of wild-type OCP.