Optogenetik (GR)

Opsin-basierte Optogenetik:

- G-Protein-gekoppelter Rezeptor

- Chromophor: 11-cis-Retinal

• Channelrhodopsin (ChR): Lichtgesteuerter Ionenkanal (Ursprung: Algen) Induktion Aktionspotentiale durch Depolarisation von Neuronen

• Halorhodopsin (HR): Lichtgesteuerter Ionenkanal (Ursprung: Halobakterien) - Silencing neuronaler Aktivität durch Hyperpolarisation von Neuronen

• Opsin-Rezeptor Chimäre (OptoXR): Chimerische Rhodopsinrezeptoren, die adrenerge cytoplasmatische Schleifen enthalten - Modulation von intrazellulären Signalkaskaden

Optogenetik: Verwendung genetisch kodierter Elemente zur Kontrolle biologischer Prozesse durch Licht

- Lichtempfindliche Proteine (Photorezeptoren aus Pflanzen, Pilzen, Bakterien)

Prinzip (nicht opsinbasierte Optogenetik / keine Ionenfluss-Optogenetik):

- Aktivierung von Signalwegen durch lichtabhängige:

• Multimerisierung von Signalproteinen

• Rekrutierung von Signalproteinen in spezifische subzelluläre Kompartimente

• Rekonstitution von split Proteinen

->Fernsteuerung von Signalprozessen auf räumlich und zeitlich aufgelöste Weise durch Licht.

• Freisetzung von Biomolekülen: Bsp freisetzung von neurotransmittern

• Rezeptoraktivierung: Initiierung zellulärer Signalwege

• Kinaseaktivierung: phosphorylierungsabhängigen Signaltransduktionskaskaden

• Nukleärtransport: Steuerung Proteine in den Nucleus, Fusion mit Kernlokalisierungssignalen

• Genexpression: gezielte Aktivierung von lichtempfindlichen Transkriptionsfaktoren - veränderte Expressionsmuster

• Mechanische Umgebung: Modellierung der mechanische Umgebung von Zellen

• Proteindegradation: Aktivierung lichtempfindlicher Proteine gekoppelt an Proteasomen, lysosomale Degradationswege

• Informationsverarbeitung (Speicher, Filter, Boolesche Logik): Modulation der Informationsverarbeitung in Zellen zu modulieren - Informationsspeicherung, Signalfilterung

• Heterodimerisierung

• Homodimerisierung

• Clustering

• Uncaging

-> Kontrolle mehrerer Gene durch verschiedene Lichtwellenlängen

• Bsp: Phytochrom B (PhyB) in Arabidopsis -red/far-red Licht-sensitiver Photorezeptor, PhyB bindet Chromophor Phytochromobilin (PCB) & interagiert mit PhyB-interagierenden TF (PIF)

• Bsp: UV-B-Rezeptor UVR8 aus Arabidopsis - Homodimer, unter UV-B-Lichteinwirkung mit COP1 heterodimerisiert -> Genexpression

• Bsp: Blue light induzierbare Dimerisierung von Neurospora crassa Vivid (VVD)

- Wichtig: Bewertung der Kreuzreaktivität zwischen den verschiedenen Lichtsystemen

- Kürzere Lichtwellenlängen können auch Systeme anregen, die auf längere Wellenlängen reagieren, was bei der Konstruktion berücksichtigt werden muss.

Cryptochrome 2 (CRY2) - Blau-licht-sensitiver Photorezeptor aus Arabidopsis, Chromophor: FAD nicht kovalent gebunden

- Oligomerisierung von Signalproteinen.

- Rekrutierung von Signalproteinen in spezif. Kompartimente

- Rekonstitution von gespaltenen Proteinen.

OptoC-RAF 1. Licht-regulierte Proteinkinase

Koppelung mit Cryprochrome 2

- OptoCRAF/ OptoBRAF ermöglichen Analyse des RAF-Signalwegs unabhängig von upstream-Aktivatoren

-> Charakterisierung von RAF-Inhibitoren durch präzise Kontrolle über Proteinkinaseaktivität

Gezielte Steuerung von Signalwegen über versch. Lichtwellenlängen

• blau-licht gesteuertes optoAKT (CRY2/CIN)

• Rot-licht gesteuertes optoSOS (PHYB/PIF)

• Multichromatic AKT/RAF signalling control

• Scaffold CNK1 verbindet AKt & RAF signalling -> OptoCNK1 (CRY2)

• CNK1 vermittelte Signalübertragung entscheidet über Proliferation oder Differenzierung

-> optogenetic endomembrane targeting toolbox

lichtgesteuerte Modulation der Lokalisierung von Proteinen

• Bsp: Lichtabhängige Rekrutierung von CRY2-EGFP zu subzellulären Membranen.