Chemical Biology of the Visual Pigments

视觉颜料的化学生物学

基本信息

  • 批准号:
    10566896
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 48.08万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2023
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2023-03-01 至 2027-02-28
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

ABSTRACT: Visual pigments initiate the human visual experience, making them of great physiological interest, and also are affected in retinal diseases. Accordingly, numerous research efforts have been devoted to characterizing their structure-function relationships. Despite these efforts, critical gaps remain in our understanding of visual pigment photochemistry and signaling properties. Knowledge of this fundamental visual physiology is necessary to make accelerated progress in developing treatments for associated retinopathies. At the heart of all visual pigments is a retinaldehyde chromophore that undergoes a cis-trans isomerization upon absorption of a photon of a suitable wavelength. This complex reaction, which proceeds through several photointermediates, triggers the conformational changes necessary for the propagation of a light stimulus into a biochemical response. This photoactivation process ends with the hydrolysis and release of retinaldehyde, which is required for renewal of the receptor light-sensitive state and hence continuous visual function. Fundamental questions remain regarding receptor structure, mechanisms and modulators of hydrolysis of the retinaldehyde Schiff base, and the modes of interaction of small molecule therapeutic candidates. Here, we will pursue four specific aims that employ newly developed tools and approaches that we believe will overcome previously insurmountable experimental challenges. 1) Elucidate structures of rhodopsin photointermediates stabilized by nanobodies. Using a novel series of camelid antibodies that arrest the rhodopsin photocycle, we will perform a detailed structure-function characterization of metarhodopsin intermediates. 2) Define the kinetics of hydrolysis of the retinaldehyde chromophores of rhodopsin and cone opsin pigments in native membranes. We have developed a novel mass spectrometry-based method that can, for the first time, directly detect the retinal conjugation state of visual pigments in native membranes; we will use this method to determine key rate constants necessary to model the interplay between visual pigment bleaching cycles and the regenerative visual cycles. 3) Assess the influence of cytosolic effectors and visual cycle components on the rate of hydrolysis of rhodopsin chromophore in knockout mouse models. Using the methods described in Aim 2, we will characterize the rate of Schiff base hydrolysis in Arr1-/-, Grk1-/-, Abca4-/-, and Rdh8-/- mice, providing new insights into how light and dark adaptation are modulated by phototransduction and visual cycle proteins. 4) Characterize the molecular architecture of rhodopsin complexes with lipids and small molecules using native mass spectrometry. Using the native MS technique, we will quantify phospholipids that associate with rhodopsin in its various activation states. We will also validate the pharmacodynamics and pharmacokinetics of small molecule therapeutic candidates in vivo. We believe the information gleaned from these studies will enhance our understanding of retinal diseases at the molecular level and enable the development of novel strategies for their treatment.
摘要:视觉色素启动了人类的视觉体验,使其具有巨大的生理兴趣, 并且也受到视网膜疾病的影响。因此,人们投入了大量的研究工作 表征它们的结构-功能关系。尽管做出了这些努力,但我们在 了解视觉色素光化学和信号特性。了解这一基本视觉 生理学对于加速开发相关视网膜病的治疗方法是必要的。在 所有视觉色素的核心是视黄醛发色团,它会发生顺反异构化 吸收适当波长的光子。这个复杂的反应要经过几个过程 光中间体,触发光刺激传播到光中所需的构象变化 生化反应。该光活化过程以视黄醛的水解和释放而结束, 是更新受体光敏状态以及因此持续视觉功能所必需的。基本的 关于视黄醛水解的受体结构、机制和调节剂仍然存在疑问 希夫碱,以及小分子治疗候选物的相互作用模式。 在这里,我们将追求四个具体目标,采用新开发的工具和方法,我们相信这些目标将 克服以前无法克服的实验挑战。 1) 阐明视紫红质的结构 由纳米抗体稳定的光中间体。使用一系列新颖的骆驼抗体来阻止 视紫红质光循环,我们将对变视紫红质进行详细的结构功能表征 中间体。 2) 定义视紫红质和视锥细胞视黄醛发色团水解的动力学 天然膜中的视蛋白色素。我们开发了一种新颖的基于质谱的方法,可以, 首次直接检测视网膜原生膜视色素的结合状态;我们将 使用此方法来确定模拟视色素之间相互作用所需的关键速率常数 漂白周期和再生视觉周期。 3) 评估胞质效应器和视觉的影响 循环成分对敲除小鼠模型中视紫红质发色团水解速率的影响。使用 目标 2 中描述的方法,我们将表征 Arr1-/-、Grk1-/-、Abca4-/- 中席夫碱水解的速率, 和 Rdh8-/- 小鼠,提供了关于光和暗适应如何调节的新见解 光转导和视觉循环蛋白。 4) 表征视紫红质的分子结构 使用天然质谱法与脂质和小分子形成复合物。使用原生 MS 技术,我们 将量化与各种激活状态下的视紫红质相关的磷脂。我们还将验证 小分子候选治疗药物的体内药效学和药代动力学。我们相信 从这些研究中收集的信息将增强我们对视网膜疾病分子水平的理解 水平并能够制定新的治疗策略。

项目成果

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