Charakterisierung und Entwicklung von Photorezeptoren mit verbesserten Eigenschaften für die optogenetische Anwendung

Optogenetics became successful in neuroscience with Channelrhodopsin-2 (ChR2), a light-gated cation channel from the green alga Chlamydomonas reinhardtii, as an easy applicable tool. The success of ChR2 inspired the development of various photosensory proteins as powerful actuators for optogenetic manipulation of biological activity. However, the current optogenetic toolbox is still not perfect and further improvements are desirable. In my thesis, I engineered and characterized several different optogenetic tools with new features. (i) Although ChR2 is the most often used optogenetic actuator, its single-channel conductance and its Ca2+ permeability are relatively low. ChR2 variants with increased Ca2+ conductance were described recently but a further increase seemed possible. In addition, the H+ conductance of ChR2 may lead to cellular acidification and unintended pH-related side effects upon prolonged illumination. Through rational design, I developed several improved ChR2 variants with larger photocurrent, higher cation selectivity, and lower H+ conductance. (ii) The light-activated inward chloride pump NpHR is a widely used optogenetic tool for neural silencing. However, pronounced inactivation upon long time illumination constrains its application for long-lasting neural inhibition. I found that the deprotonation of the Schiff base underlies the inactivation of NpHR. Through systematically exploring optimized illumination schemes, I found illumination with blue light alone could profoundly increase the temporal stability of the NpHR-mediated photocurrent. A combination of green and violet light eliminates the inactivation effect, similar to blue light, but leading to a higher photocurrent and therefore better light-induced inhibition. (iii) Photoactivated adenylyl cyclases (PACs) were shown to be useful for light-manipulation of cellular cAMP levels. I developed a convenient in-vitro assay for soluble PACs that allows their reliable characterization. Comparison of different PACs revealed that bPAC from Beggiatoa is the best optogenetic tool for cAMP manipulation, due to its high efficiency and small size. However, a residual activity of bPAC in the dark is unwanted and the cytosolic localization prevents subcellular precise cAMP manipulation. I therefore introduced point mutations into bPAC to reduce its dark activity. Interestingly, I found that membrane targeting of bPAC with different linkers can remarkably alter its activity, in addition to its localization. Taken together, a set of PACs with different activity and subcellular localization were engineered for selection based on the intended usage. The membrane-bound PM-bPAC 2.0 with reduced dark activity is well-tolerated by hippocampal neurons and reliably evokes a transient photocurrent, when co-expression with a CNG channel. (iv) Bidirectional manipulation of cell activity with light of different wavelengths is of great importance in dissecting neural networks in the brain. Selection of optimal tool pairs is the first and most important step for dual-color optogenetics. Through N- and C-terminal modifications, an improved ChR variant (i.e. vf-Chrimson 2.0) was engineered and selected as the red light-controlled actuator for excitation. Detailed comparison of three two-component potassium channels, composed of bPAC and the cAMP-activated potassium channel SthK, revealed the superior properties of SthK-bP. Combining vf-Chrimson 2.0 and improved SthK-bP “SthK(TV418)-bP” could reliably induce depolarization by red light and hyperpolarization by blue light. A residual tiny crosstalk between vf-Chrimson 2.0 and SthK(TV418)-bP, when applying blue light, can be minimized to a negligible level by applying light pulses or simply lowering the blue light intensity.Die Optogenetik wurde in den Neurowissenschaften mit Channelrhodopsin-2 (ChR2), einem lichtgesteuerten Kationenkanal aus der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii, als leicht anwendbares Werkzeug erfolgreich. Der Erfolg von ChR2 inspirierte die Entwicklung verschiedener photosensorischer Proteine als leistungsstarke Aktuatoren für die optogenetische Manipulation der biologischen Aktivität. Die derzeitige optogenetische Toolbox ist jedoch immer noch nicht perfekt und weitere Verbesserungen sind wünschenswert. In meiner Arbeit habe ich verschiedene optogenetische Werkzeuge mit neuen Funktionen entwickelt und charakterisiert. (i) Obwohl ChR2 der am häufigsten verwendete optogenetische Aktuator ist, sind seine Einzelkanal-Leitfähigkeit und seine Ca2 + -Permeabilität relativ gering. Kürzlich wurden ChR2-Varianten mit erhöhter Ca2 + -Leitfähigkeit beschrieben, eine weitere Verbesserung schien jedoch möglich. Darüber hinaus kann die H+-Leitfähigkeit von ChR2 bei längerer Beleuchtung zu einer Ansäuerung der Zellen und zu unbeabsichtigten Nebenwirkungen im Zusammenhang mit dem pH-Wert führen. Durch rationales Design entwickelte ich mehrere verbesserte ChR2-Varianten mit größerem Photostrom, höherer Kationenselektivität und geringerer H+-Leitfähigkeit. (ii) Die lichtaktivierte Chloridpumpe NpHR ist ein weit verbreitetes optogenetisches Werkzeug für die neuronale Inhibierung. Eine ausgeprägte Inaktivierung bei längerer Beleuchtung schränkt jedoch die Anwendung für eine lang anhaltende neuronale Hemmung ein. Ich konnte zeigen, dass die Deprotonierung der Schiffschen Base der Inaktivierung von NpHR zugrunde liegt. Durch die systematische Untersuchung optimierter Beleuchtungsschemata fand ich heraus, dass die Beleuchtung mit blauem Licht allein die zeitliche Stabilität des NpHR-vermittelten Photostroms erheblich verbessern kann. Eine Kombination aus grünem und violettem Licht eliminiert den Inaktivierungseffekt, ähnlich wie blaues Licht, führt jedoch zu einem höheren Photostrom und deswegen effektiverer Licht-induzierter Inhibierung. (iii) Photoaktivierte Adenylylcyclasen (PACs) erwiesen sich als nützlich für die Lichtmanipulation der zellulären cAMP-Spiegel. Ich habe einen praktischen in-vitro-Test für lösliche PACs entwickelt, der deren zuverlässige Charakterisierung ermöglicht. Ein Vergleich verschiedener PACs ergab, dass bPAC von Beggiatoa aufgrund seiner hohen Effizienz und geringen Größe das beste optogenetische Werkzeug für die cAMP-Manipulation ist. Eine Restaktivität von bPAC im Dunkeln ist jedoch unerwünscht und die cytosolische Lokalisierung verhindert eine subzellulär präzise cAMP-Manipulation. Ich habe daher Punktmutationen in bPAC eingeführt, um dessen Dunkelaktivität zu reduzieren. Interessanterweise fanden Ich heraus, dass das Membrantargeting von bPAC mit verschiedenen „Linkern“ zusätzlich zu seiner Lokalisierung seine Aktivität erheblich verändern kann. Zusammengenommen wurde eine Reihe von PACs mit unterschiedlicher Aktivität und subzellulärer Lokalisation für unterschiedliche Anwendungen konstruiert. Das membrangebundene PM-bPAC 2.0 mit reduzierter Dunkelaktivität wird von Hippocampus-Neuronen gut vertragen und erlaubt, bei gleichzeitiger Expression mit einem CNG-Kanal, zuverlässig einen Licht-induzierten Strom auszulösen. (iv) Die bidirektionale Manipulation der Zellaktivität mit Licht unterschiedlicher Wellenlänge ist für die Dissektion neuronaler Netze im Gehirn von großer Bedeutung. Die Auswahl der optimalen Werkzeugpaare ist der erste und wichtigste Schritt für die zweifarbige Optogenetik. Durch N- und C-terminale Modifikationen wurde eine verbesserte ChR-Variante (d. h. Vf-Chrimson 2.0) entwickelt und als Rotlicht-gesteuerter Aktuator zur Anregung ausgewählt. Ein detaillierter Vergleich von drei Zweikomponenten-Kaliumkanälen, bestehend aus bPAC und dem cAMP-aktivierten Kaliumkanal SthK, ergab die überlegenen Eigenschaften von SthK-bP. Die Kombination von vf-Chrimson 2.0 und verbessertem SthK-bP „SthK(TV418)-bP“ konnte zuverlässig eine Depolarisation durch rotes Licht und eine Hyperpolarisation durch blaues Licht induzieren. Ein restliches, kleines Übersprechen zwischen vf-Chrimson 2.0 und SthK(TV418)-bP kann beim Anlegen von blauem Licht durch Anlegen von Lichtimpulsen oder durch einfaches Verringern der Intensität von blauem Licht auf ein vernachlässigbares Maß minimiert werden