Photoactive proteins that exhibit unique three-dimensional structural transitions in response to light convert light signals into chemical signals using their structural properties and regulate various biological reactions in living organisms. Therefore, to understand the biological reactions in living organisms, it is important to investigate the structural dynamics of photoactive proteins. In this regard, the structural changes in the photoreactions of the circular oligomer photoactive yellow protein, bacteriophytochrome, and PixD were investigated using the time-resolved X-ray solution scattering technique.
Based on the light-induced N-terminal protrusion of photoactive yellow protein, novel protein-based photoswitches, circular oligomer photoactive yellow proteins, were designed and generated. In the design of the photoswitches, the N-terminus of each photoactive yellow protein unit is connected to the C-terminus of the other unit by a linker. From the design, it was expected that the circular oligomer photoactive yellow proteins would exhibit expansion motion. However, time-resolved X-ray solution scattering study show that the circular oligomer photoactive yellow proteins exhibit light-induced structural changes that gradually contract. The result suggest an approach to generate a novel protein-based circular oligomer photoswitch. In addition, it shows the need to elucidate the structural properties of the photoswitches and suggests a method to investigate the structural properties.
The time-resolved X-ray solution scattering also applied to phytochrome, which exhibit unique structural dynamics in response to red light in living organisms. Phytochromes are categorized into a canonical form and a bathy form. Based on crystallography studies on phytochromes, it was expected that the photoreactions of canonical and bathy phytochromes would include different three-dimensional structural changes, respectively. However, information on the light-induced structural dynamics of bathy phytochromes is still elusive. Therefore, the difference between the structural properties of canonical and bathy forms remains an open question. In this study, the time-resolved X-ray solution scattering reveals that bathy phytochromes exhibit light-induced structural changes in terms of an “O” shaped geometry in the central helical backbones. This result suggest that a structural mechanism distinct from canonical phytochromes, which exhibits a “Y”-shaped geometry in the central helical backbones, is related to the photoreaction of bathy phytochromes.
In nature, proteins form protein complexes using protein-protein interactions. The dissociation of the protein complexes plays an important role in various biological reactions such as energy metabolism and cell signaling. Therefore, investigating the structural dynamics of dissociation of protein complexes can provide important information for understanding various biological mechanisms. In this regard, time-resolved X-ray solution scattering were applied to the PixD, a photoactive protein that dissociates from one decamer to five dimers in response to light. This X-ray scattering study revealed structural information involved in the dissociation of the PixD. From the structural information on the dissociation of PixD, it is suggested that the dissociation of protein complexes occurs as changes initiated in the local structure of the complex propagate to the overall structure.
빛에 반응하여 특유의 3차원적 구조변화를 나타내는 광활성 단백질들은 그들의 구조적 특성을 이용하여 광신호를 화학적 신호로 전환하고 생명체 내의 다양한 생체 반응들을 조절한다. 따라서 생명체에서 일어나는 생체 반응들을 이해하기 위해서는 광활성 단백질의 구조 동역학에 대한 연구가 필요하다. 이런 관점에서 본 연구에서는 시간 분해 엑스선 산란 기법을 이용하여 원형 올리고머 광활성 노랑 단백질, 박테리오파이토크롬, PixD 단백질들의 광반응에서 나타나는 구조적 변화를 규명했다.
먼저, N-말단의 돌출을 동반하는 광활성 노랑 단백질의 광반응을 기반으로 새로운 광스위치인 원형 올리고머 광활성 노랑 단백질들을 디자인하고 만들었다. 해당 광스위치들의 디자인에서, 각 광활성 노랑 단백질 단위체의 N-말단은 링커에 의해 다른 단위체의 C-말단에 연결된다. 따라서 원형 올리고머 광활성 노랑 단백질은 빛에 의해서 팽창하는 구조적 변화를 나타낼 것이라고 예상이 되었다. 그러나 시간 분해 엑스선 산란 연구로부터, 원형 올리고머 광활성 노랑 단백질이 빛에 의해서 점차적으로 수축되는 구조 변화를 나타냄을 확인 할 수 있었다. 이러한 연구 결과는 새로운 단백질 기반의 원형 올리고머 광스위치를 만드는 방법을 제안한다. 또한 새롭게 만들어진 광스위치의 구조적 특성이 규명될 필요성 및 이러한 구조적 특성을 조사할 수 있는 방법을 제안한다.
시간 분해 엑스선 산란 기법은 생명체 내에서 붉은 빛에 반응하여 특유의 구조 동역학을 나타내는 파이토크롬 단백질에도 적용되었다. 파이토크롬의 경우 크게 토양종과 심해종으로 나뉜다. 이러한 분류에 대해서, 이전의 결정학 기반의 연구결과들로부터 토양종과 심해종 파이토크롬들의 광활성에는 각각 서로 다른 3차원 구조적 변화가 포함될 것임이 추측되었다. 그러나 심해종 파이토크롬의 구조 동역학에 대한 정보가 여전히 부족했기에, 그 차이에 대한 부분은 여전히 열린 질문으로 남아있다. 서로 다른 두 종의 파이토크롬이 어떠한 차이를 보이는 지를 확인하기 위해서 한 심해종의 파이토크롬에 시간 분해 엑스선 산란을 적용했다. 해당 연구에서 심해종의 파이토크롬은 그들 내부의 중앙 헬릭스 뼈대에서 “O” 자 형태의 구조적 변화를 나타냄이 규명되었다. 이러한 결과는 중앙 헬릭스 뼈대에서 “Y” 자 형태의 구조적 변화를 나타내는 토양종 파이토크롬과는 구별되는 구조적 메커니즘이 심해종 파이토크롬의 광반응에 연관되어있음을 보여준다.
자연계에서 단백질은 서로 모여서 단백질 복합체를 형성한다. 이러한 단백질 복합체의 해리는 에너지 대사 및 세포 간 신호 전달과 같은 다양한 생체반응에서 중요한 역할을 한다. 따라서 단백질 복합체의 해리에 대한 구조동역학의 이해는 여러 생체반응 메커니즘을 이해하는데 있어서 중요한 정보를 제공할 수 있다. 이런 관점에서 빛에 의해서 하나의 십합체에서 다섯개의 이합체로 해리가 일어나는 광활성 단백질인 PixD 단백질에 대해, 시간 분해 엑스선학을 적용하여, PixD 단백질의 해리에 관여되는 구조적 정보를 밝혔다. 이 연구 결과는 단백질 복합체의 해리는 복합체의 국부적인 구조변화가 전체적인 구조로 전달되면 일어날 것임을 제안한다.
