Light-driven proton-pumping rhodopsins are widely distributed in many microorganisms. They convert sunlight energy into proton gradients that serve as energy source of the cell. Here we report a new functional class of a microbial rhodopsin, a light-driven sodium ion pump. We discover that the marine flavobacterium Krokinobacter eikastus possesses two rhodopsins, the first, KR1, being a prototypical proton pump, while the second, KR2, pumps sodium ions outward. Rhodopsin KR2 can also pump lithium ions, but converts to a proton pump when presented with potassium chloride or salts of larger cations. These data indicate that KR2 is a compatible sodium ion–proton pump, and spectroscopic analysis showed it binds sodium ions in its extracellular domain. These findings suggest that light-driven sodium pumps may be as important in situ as their proton-pumping counterparts. Light-driven proton-pumping rhodopsins are widely distributed in microorganisms and convert sunlight energy into proton gradients. Inoue et al. report the discovery of a light-driven sodium ion pump from marine bacteria.

Abstract Rhodopsins convert light into signals and energy in animals and microbes. Heliorhodopsins (HeRs), a recently discovered new rhodopsin family, are widely present in archaea, bacteria, unicellular eukaryotes, and giant viruses, but their function remains unknown. Here we report that a viral HeR from Emiliania huxleyi virus 202 (V2HeR3) is a light-gated proton channel. V2HeR3 absorbs blue-green lights, and the active intermediate contains the deprotonated retinal Schiff base. Site-directed mutagenesis study revealed that E191 in TM6 constitutes the gate together with the retinal Schiff base. E205 and E215 form a proton accepting group of the Schiff base, whose mutations converted the protein into an outward proton pump. Three environmental viral HeRs from the same group, as well as a more distantly related HeR exhibited similar proton-transport activity, indicating that HeR functions might be diverse similarly to type-1 microbial rhodopsins. Some strains of E. huxleyi contain one HeR that is related to the viral HeRs, while its viruses Eh V-201 and Eh V-202 contain two and three HeRs, respectively. Except for V2HeR3 from Eh V-202, none of these proteins exhibit ion-transport activity. Thus, when expressed in the E. huxleyi cell membranes, only V2HeR3 has the potential to depolarize the host cells by light, possibly to overcome the host defense mechanisms or to prevent superinfection. The neuronal activity generated by V2HeR3 suggests that it can potentially be used as an optogenetic tools, like type-1 microbial rhodopsins.

SUMMARY The KCR channelrhodopsins are recently-discovered light-gated ion channels with high K + selectivity, a property that has attracted broad attention among biologists– due to intense interest in creating novel inhibitory tools for optogenetics leveraging this K + selectivity, and due to the mystery of how this selectivity is achieved in the first place. Indeed, the molecular and structural mechanism for K + selectivity in KCRs has remained especially puzzling since these 7-transmembrane retinal-binding proteins completely lack structural similarity with known K + channels, which generally coordinate K + in a precisely symmetric conduction pathway formed by a tight interface among multiple small monomeric channel subunits (presumably not an accessible mechanism for the large KCR rhodopsin proteins). Here we present the cryo-electron microscopy structures of two KCRs from Hyphochytrium catenoides with distinct spectral properties for light absorption and channel actuation, Hc KCR1, and Hc KCR2, at resolutions of 2.6 and 2.5 Å, respectively. Structural comparison revealed first an unusually-shaped retinal binding pocket which induces rotation of the retinal in Hc KCR2, explaining the large spectral difference between Hc KCR1 and 2. Next, our combined structural, electrophysiological, computational, and spectroscopic analyses revealed a new solution to the challenging problem of K + -selective transport. KCRs indeed do not exhibit the canonical tetrameric K + selectivity filter that specifically coordinates dehydrated K + ; instead, single KCR monomers form a size exclusion filter using aromatic residues at the extracellular side of the pore which inhibits passage of bulky hydrated ions. This unique feature allows KCRs to function as K + channels under relevant physiological conditions, providing not only a novel mechanism for achieving high K + permeability ratios in biological ion channels, but also a framework for designing the next generation of inhibitory optogenetic tools. In Brief The first structures of K + -selective channelrhodopsins ( Hc KCR1 and 2) are determined, revealing a K + selectivity mechanism distinctly different from canonical K + channels. Highlights The cryo-EM structures of K + -selective channelrhodopsins, Hc KCR1 and 2, in nanodisc Conditions under which naturally-occurring microbial rhodopsins have a 6-s- cis retinal Identification of key residues for high K + permeability ratios The unique K + selectivity mechanism of KCRs

Abstract Photoreception requires amplification by mammalian rhodopsin through G protein activation, which requires a visual cycle. To achieve this in retinal gene therapy, we incorporated human rhodopsin cytoplasmic loops into Gloeobacter rhodopsin, thereby generating Gloeobacter and human chimeric rhodopsin (GHCR). In a murine model of inherited retinal degeneration, we induced retinal GHCR expression by intravitreal injection of a recombinant adeno-associated virus vector. Retinal explant and visual thalamus electrophysiological recordings, behavioral tests, and histological analysis showed that GHCR restored dim-environment vision and prevented the progression of retinal degeneration. Thus, GHCR may be a potent clinical tool for the treatment of retinal disorders. One Sentence Summary Optogenetic therapy with Gloeobacter and human chimeric rhodopsin resulted in highly sensitive visual restoration and protection effects.

Abstract Schizorhodopsins (SzRs), a new rhodopsin family identified in Asgard archaea, are phylogenetically located at an intermediate position between type-1 microbial rhodopsins and heliorhodopsins. SzRs reportedly work as light-driven inward H + pumps, as xenorhodopsin. Here we report the crystal structure of SzR AM_5_00977 at 2.1 Å resolution. The SzR structure superimposes well on that of bacteriorhodopsin rather than heliorhodopsin, suggesting that SzRs are classified with type-1 rhodopsins. The structure-based mutagenesis study demonstrated that the residues N100 and V103 are essential for color tuning in SzRs. The cytoplasmic parts of transmembrane helices 2, 6, and 7 in SzR are shorter than those in the other microbial rhodopsins. Thus, E81 is located near the cytosol, playing a critical role in the inward H + release. We suggested the H + is not metastably trapped in E81 and released through the water-mediated transport network from the retinal Schiff base to the cytosol. Moreover, most residues on the H + transport pathway are not conserved between SzRs and xenorhodopsins, suggesting that they have entirely different inward H + release mechanisms.

Abstract Microbial rhodopsins are photoreceptive membrane proteins utilized as molecular tools in optogenetics. In this paper, a machine learning (ML)-based model was constructed to approximate the relationship between amino acid sequences and absorption wavelengths using ~800 rhodopsins with known absorption wavelengths. This ML-based model was specifically designed for screening rhodopsins that are red-shifted from representative rhodopsins in the same subfamily. Among 5,558 candidate rhodopsins suggested by a protein BLAST search of several protein databases, 40 were selected by the ML-based model. The wavelengths of these 40 selected candidates were experimentally investigated, and 32 (80%) showed red-shift gains. In addition, four showed red-shift gains > 20 nm, and two were found to have desirable ion-transporting properties, indicating that they were potentially useful in optogenetics. These findings suggest that an ML-based model can reduce the cost for exploring new functional proteins.

Rhodopsin phosphodiesterase (Rh-PDE) is an enzyme rhodopsin belonging to a recently discovered class of microbial rhodopsins with light-dependent enzymatic activity. Rh-PDE consists of the N-terminal rhodopsin domain and C-terminal phosphodiesterase (PDE) domain, connected by 76-residue linker, and hydrolyzes both cAMP and cGMP in a light-dependent manner. Thus, Rh-PDE has potential for the optogenetic manipulation of cyclic nucleotide concentrations, as a complementary tool to rhodopsin guanylyl cyclase (Rh-GC) and photosensitive adenylyl cyclase (PAC). Here we present structural and functional analyses of the Rh-PDE derived from Salpingoeca rosetta. The 2.6 Å resolution crystal structure of the transmembrane domain revealed a new topology of rhodopsin, with 8 TMs including the N-terminal extra TM, TM0. Mutational analyses demonstrated that TM0 plays a crucial role in the enzymatic photoactivity. We further solved the crystal structures of the transmembrane and PDE domain (2.1 Å) with their connecting linkers. Integrating these structures, we proposed a model of full-length Rh-PDE, based on the HS-AFM observations and computational modeling of the linker region. These findings provide insight into the photoactivation mechanisms of other 8-TM enzyme rhodopsins and expand the definition of rhodopsins.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.