retinal

VISUAL & NON-VISUAL
PHOTORECEPTION
Regulation and Signal transduction
LIGHT INPUT PATHWAY
Light
LIGHT INPUT PATHWAY
LIGHT INPUT PATHWAY
Hypothalamus
PHOTORECEPTION IN MAMMALS RESIDES IN THE RETINA
•
There are six classes of neuron in the mammalian retina: rods (1), cones (2), horizontal
cells (3), bipolar cells (4), amacrine cells (5) and retinal ganglion cells (RGCs) (6). They
have a laminar distribution (OS/IS, outer and inner segments of rods and cones; ONL,
outer nuclear layer; OPL, outer plexiform layer; INL, inner nuclear layer; IPL, inner
plexiform layer; GCL, ganglion cell layer; NFL, optic nerve fibre layer).
PHOTORECEPTION IN MAMMALS RESIDES IN THE RETINA
Visual
(Rhodopsin,
cone opsins)
PHOTORECEPTOR
Non-Visual
(ipRGCs,
Melanopsin)
•
There are six classes of neuron in the mammalian retina: rods (1), cones (2), horizontal
cells (3), bipolar cells (4), amacrine cells (5) and retinal ganglion cells (RGCs) (6). They
have a laminar distribution (OS/IS, outer and inner segments of rods and cones; ONL,
outer nuclear layer; OPL, outer plexiform layer; INL, inner nuclear layer; IPL, inner
plexiform layer; GCL, ganglion cell layer; NFL, optic nerve fibre layer).
PHOTORECEPTORS – PHOTOPIGMENTS:
OPSINS
- 40 KDa
- 348 aa
- Single chain (G proteinprotein-coupled receptors super family, GPCRs)
Extracellular NN-terminus
III
VI
II
I
IV
VII
V
7 TransTrans-Membrane Domain
IN
VIII
Intracellular CC-terminus
CLASSIFIED BY WAVELENGTH OF ABSORPTION (SHORT, MEDIUM, LONG)
SIGNAL TRANSDUCTION PATHWAY
SIGNAL TRANSDUCTION PATHWAY
SIGNAL TRANSDUCTION PATHWAY
HYPERPOLARIZATION
SIGNAL TRANSDUCTION
BRAIN
EXTRACELLULAR SURFACE
Extracellular (interhelical) loops
E1 Gly101 - Gly106
E2 Gly174 - Asn199
E3 His278 - Pro285
Connessione H2-H3
Connessione H4-H5
Connessione H6-H7
Importanti per un corretto folding della proteina che consente un
normale processamento e legame del retinale
EXTRACELLULAR SURFACE
Cys110-Cys187
Stabilità e corretto folding della proteina.
Extracellular (interhelical) loops
E1 Gly101 - Gly106
E2 Gly174 - Asn199
E3 His278 - Pro285
Connessione H2-H3
Connessione H4-H5
Connessione H6-H7
Importanti per un corretto folding della proteina che consente un
normale processamento e legame del retinale
EXTRACELLULAR SURFACE
β4-strand
(Ser186-Cys187-Gly188-Ile189)
Forma il pavimento extracellulare
del retinal-binding pocket
Extracellular (interhelical) loops
E1 Gly101 - Gly106
E2 Gly174 - Asn199
E3 His278 - Pro285
Connessione H2-H3
Connessione H4-H5
Connessione H6-H7
Importanti per un corretto folding della proteina che consente un
normale processamento e legame del retinale
TRANS-MEMBRANE DOMAIN
H1 Glu35 - Gln64
H2 Pro71 - His100
H3 Pro107 - Val139
H4 Asn151 - Val173
Core
rigido
H5 Asn200 - Gln225
H6 Glu247 - Thr277
H7 Ile286 - Ile306
Eliche
mobili
Movimento
associato
all’attivazione
del recettore
TRANS-MEMBRANE DOMAIN
H1 Glu35 - Gln64
H2 Pro71 - His100
H3 Pro107 - Val139
H4 Asn151 - Val173
Core
rigido
H5 Asn200 - Gln225
H6 Glu247 - Thr277
H7 Ile286 - Ile306
Eliche
mobili
Movimento
associato
all’attivazione
del recettore
Motivo D(E)RY
E134-R135-Y136
Motivo NPXXY
N302-P303-X-X-Y306
(conservato tra A-GPCRs)
(conservato tra A-GPCRs)
Interazioni tra le
eliche H3, H5 e H6
che mantengono lo
stato inattivo del
recettore
Legame
a Gt
Stabilizzazione stato
inattivo recettore
CYTOSOLIC SURFACE
C1 His65 -Thr70
C2 Cys140 - Glu150
C3 Leu226 - Ala246
Interazione
Op-Gt
CYTOSOLIC SURFACE
C1 His65 -Thr70
C2 Cys140 - Glu150
C3 Leu226 - Ala246
Interazione
Op-Gt
C-terminale (Met308 - Ala348)
H8 (An310 – Cys323)
Interazione
Op-Gt
Interazioni
Op-fosfolipidi
2 domini strutturali
Segmento terminale Lys325 - Ala348
Siti responsabili dello spegnimento del segnale
RETINAL
L’associazione dell’11-cis-retinale all’opsina avviene
mediante un legame tipo BASE DI SCHIFF
Legame tra il gruppo
aldeidico dell’11dell’11-cis
cis--retinale
e il gruppo amminico ε della
Lys296 (elica H7)
Residuo fondamentale la sua mancanza
genera una proteina costitutivamente attiva
RETINAL
L’associazione dell’11-cis-retinale all’opsina avviene
mediante un legame tipo BASE DI SCHIFF
Legame tra il gruppo
aldeidico dell’11dell’11-cis
cis--retinale
e il gruppo amminico ε della
Lys296 (elica H7)
Residuo fondamentale la sua mancanza
genera una proteina costitutivamente attiva
RETINAL
L’associazione dell’11-cis-retinale all’opsina avviene
mediante un legame tipo BASE DI SCHIFF
Legame tra il gruppo
aldeidico dell’11dell’11-cis
cis--retinale
e il gruppo amminico ε della
Lys296 (elica H7)
Residuo fondamentale la sua mancanza
genera una proteina costitutivamente attiva
RETINAL
The different sensitivities are due to
modest differences in the opsin
sequence that change the side groups
in the pocket. Key, charged amino acids
that are important in this tuning are in
position 180, 197, 277, 285 and 308.
Transducin (Gt)
In seguito all’attivazione, vengono indotte delle modificazioni conformazionali nel versante
citoplasmatico del recettore che creano un sito di legame per la proteina G TRASDUCINA (Gt)
Gt
Estremità C-terminale
coinvolta nel legame
al recettore attivato
Tα 39 KDa
Tβ 36 KDa
Glu113 - Phe350
Tγ 8 KDa
Rhodopsin--binding site
Rhodopsin
Se sostituita, Tα perde
la capacità di legare
Rh*
due forme
T-GDP
T-GTP
Importante nel
legame a Rh*
Cys321
Bassa affinità per Rh* e bassa affinità per PDE
Alta affinità per Rh* e alta affinità per PDE
Nel legame di Gt, a livello di Rh, sono coinvolti i loop citoplasmatici C3 e C4, compresa l’α-elica
anfipatica H8 residui essenziali sono Glu134 e Arg135, situati nel motivo conservato D(E)RY,
dimostrato dal fatto che la loro sostituzione con aa neutri impedisce l’interazione Rh*-Gt
Transducin (Gt)
PDEi
γ
T-GDP
R*-T-GDP
Rh
α
β
γ
α
β
PDEi
γ
α
γ
α
β
γ
β
γ
Luce
GDP
cGMP
Idrolisi di GTP da parte di Tα
Inattivazione di R*
Rigenerazione di R
5’-GMP
γ
GTP
Tα-GTP
γ
PDEi
α
β
β
α
α
γ
α
γ
α
γ
β
β
Tβγ
γ
TαGTPPDEγ
Segmento esterno
R*
R*
cGMP
Ca2+
cGMP
Ca2+
K+
5’
CH2
O
H
O
Guanina
-2 OPOCH
3
2
H
H
O
H+
H
H
- OP
2
H2O
3’
OH
cGMP
cGMP
fosfodiesterasi
Guanina
O
4Na+
[Ca2+] = 500 nM
H
H
H
OH
OH
5’-GMP
Iperpolarizzazione
Ca2+
K+
4Na+
[Ca2+] < 50 nM
RECOVERY & ADAPTATION
• Attività GTPasica della subunità α della trasducina
• La subunutà inibitrice della fosfodiesterasi si riassocia
all’enzima
• Attivazione della guanilil ciclasi (inibita da elevate
concentrazioni di Ca 2+ superiori a 100nm)
• Attivazione della rodopsina chinasi (inibita dalla proteina
che lega il Ca 2+ in presenza di elevate concentrazioni di
calcio)
• I livelli di Ca 2+ regolano la velocità con cui il
sistema viene riportato allo stato iniziale
ipRGCs are the principal conduits for non-image-forming vision
ipRGCs are the principal conduits for non-image-forming vision
ipRGCs are the principal conduits for non-image-forming vision
The ipRGC fibres in the brain decrease in aDTA mice
/
X-gal
Cholera toxin
Mice lacking ipRGCs (Melanopsin) do not photoentrain or mask
Light-Dark cycle
Shifted
Light-Dark cycle
Constant
Light Regime
Mice lacking ipRGCs (Melanopsin) do not photoentrain or mask
Masking
Expression of Melanopsin renders mammalian cells light-sensitive
Neuro-2a cell transfected with 6xHis-tagged human melanopsin–EGFP vector.
EGFP fluorescence (a)
anti-tetra-His immunoreactivity (b).
Recordings
from
a
melanopsin
transfected cell preincubated with 9-cis
cis-retinaldehyde exposed to 420
420--nm light
(10 s) revealed intensityintensity-dependent
inward current.
current.
Expression of Melanopsin renders mammalian cells light-sensitive
Neuro-2a cell transfected with 6xHis-tagged human melanopsin–EGFP vector.
EGFP fluorescence (a)
anti-tetra-His immunoreactivity (b).
Recordings
from
a
melanopsin
transfected cell preincubated with 9-cis
cis-retinaldehyde exposed to 420
420--nm light
(10 s) revealed intensityintensity-dependent
inward current.
current.
Melanopsin absorbs in the
blue spectrum
Expression of Melanopsin renders mammalian cells light-sensitive
Spectral sensitivity
The 360360-nm and 420
420--nm stimuli give nearnearequivalent responses whereas responses
to the longer wavelengths is progressively
attenuated
Expression of Melanopsin renders mammalian cells light-sensitive
Spectral sensitivity
The 360360-nm and 420
420--nm stimuli give nearnearequivalent responses whereas responses
to the longer wavelengths is progressively
attenuated
Summary
- The only neurons, in mammals, that are directly sensitive to light are the
photoreceptor cells (Rod, cones and ipRGCs).
- Light striking the retina initiates a cascade of chemical and electrical
events, mediated by Opsins, that ultimately trigger nerve impulses to the
brain.
-Opsins belong to the GPCRs, characterized by a conserved 7TM domain
motif.
- Binding of the chromophore, 11-cis retinal, is essential in the mechanism
of light perception.
- Phototransduction cascade involves different protein
(Transducin,
PDE….) leading to the hyperpolarization of the cellular membrane.
Summary II
- ipRGCs, expressing melanopsin, are responsible for the nonimage-forming vision.
- ipRGCs fibres project directly to the SCN, modulating physiology
and behaviour
- Ablation of ipRGCs abolish photoentrainment in mice.
- Melanopsin is the photopigment responsible of the signal
transduction to the SCN.
Stryer, BIOCHEMISTRY (6TH EDITION)
Stryer,
pag.:
pag
.: 353
353,, 859
859--860
Lehninger, PRINCIPLE
Lehninger,
EDITION)
pag.:
pag
.: 461
461--465
OF
BIOCHEMISTRY
(5TH
Melyan, Z., E. E. Tarttelin,
Melyan,
Tarttelin, et al
al.. (2005)
2005). "Addition of human melanopsin
renders mammalian cells photoresponsive.
photoresponsive." Nature 433
433((7027
7027)): 741
741--5.
Guler, A. D., J. L. Ecker,
Guler,
Ecker, et al
al.. (2008)
2008). "Melanopsin cells are the principal
conduits for rod
rod--cone input to nonnon-imageimage-forming vision.
vision." Nature 453(
453(7191
7191)):
102--5.
102