Abstract The electric excitability of muscle, heart and brain tissue relies on the precise interplay of Na + - and K + -selective ion channels. The involved ion fluxes are controlled in optogenetic studies using light-gated channelrhodopsins (ChRs). While non-selective cation-conducting ChRs are well-established for excitation, K + -selective ChRs (KCRs) for efficient inhibition have only recently come into reach. Here, we report the molecular analysis of recently discovered KCRs from the stramenopile Hyphochytrium catenoides and identify a novel type of hydrophobic K + -selectivity filter. Next, we demonstrate that the KCR signature motif is conserved in related stramenopile ChRs. Among them, WiChR from Wobblia lunata features an unmatched 80-fold preference for K + over Na + , stable photocurrents under continuous illumination and a prolonged open state lifetime. Well expressed in neurons, WiChR allows two-photon inhibition at low irradiance and reduced tissue heating,_recommending WiChR as the long-awaited efficient and versatile optogenetic inhibitor.

Summary The N-termini of proteins contain information about their biochemical properties and functions. These N-termini can be processed by proteases and can undergo other co- or post-translational modifications. We have developed LATE (LysN Amino Terminal Enrichment), a method that uses selective chemical derivatization of α-amines to isolate the N-terminal peptides, in order to improve N-terminome identification in conjunction with other enrichment strategies. We applied LATE alongside another N-terminomic method to study caspase-3 mediated proteolysis both in vitro and during apoptosis in cells. This has enabled us to identify many unreported caspase-3 cleavages, some of which cannot be identified by other methods. Moreover, we have found direct evidence that neo-N-termini generated by caspase-3 cleavage can be further modified by Nt-acetylation. Some of these neo-Nt-acetylation events occur in the early phase of the apoptotic process and may have a role in translation inhibition. This has provided a comprehensive overview of the caspase-3 degradome and has uncovered previously unrecognized crosstalk between post-translational Nt-acetylation and caspase proteolytic pathways.

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.

Abstract Virophages are small dsDNA viruses dependent on a nucleocytoplasmic large-DNA virus infection of a cellular host for replication. Putative virophages infecting algal hosts are classified together with polinton-like viruses, transposable elements widely found in algal genomes, yet the lack of isolated strains raises questions about their existence as independent entities. In this work we isolated and characterized a virophage (PgVV-14T) co-infecting Phaeocystis globosa with the Phaeocystis globosa virus-14T (PgV-14T). PgVV-14T decreases the fitness of its PgV-14T viral host, yet it does not salvage the cellular host population. We found viral-like elements resembling PgVV-14T in Phaeocystis genomes, suggesting that these virophages are capable of integrating to the cellular host genome, bridging the gap between Polinton-like viruses and virophages. This system, with a giant virus, a virophage and endogenous viral elements preying on an algal host, presents an opportunity to gain a better understanding on the evolution of eukaryotes and their viruses.

Channelrhodopsins (ChRs) are algal light-gated ion channels widely used as optogenetic tools for manipulating neuronal activity. Four ChR families are currently known. Green algal and cryptophyte cation-conducting ChRs (CCRs), cryptophyte anion-conducting ChRs (ACRs), and the MerMAID ChRs. Here we report the discovery of a new family of phylogenetically distinct ChRs encoded by marine giant viruses and acquired from their unicellular green algal prasinophyte hosts. These previously unknown viral and green algal ChRs act as ACRs when expressed in cultured neuroblastoma-derived cells and are likely involved in behavioral responses to light.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.

Abstract Energy transfer from light-harvesting ketocarotenoids to light-driven proton pumps xanthorhodopsins has been previously demonstrated in two unique cases: an extreme halophilic bacterium 1 and a terrestrial cyanobacterium 2 . Attempts to find carotenoids that bind and transfer energy to rhodopsin proton pumps from the abundant marine and freshwater photoheterotrophs have thus far failed 3–5 . Here, using functional metagenomics combined with chromophore extraction from the environment, we detected light energy transfer from the widespread hydroxylated carotenoids zeaxanthin and lutein to the retinal moiety of xanthorhodopsins and proteorhodopsins. The light-harvesting carotenoids transfer up to 42% of the harvested energy in the violet/blue-light range to the green-light absorbing retinal chromophore. Our data suggest that these antennas have a significant impact on rhodopsin phototrophy in the world’s lakes, seas and oceans.

Abstract Channelrhodopsins (ChRs) are light-gated ion channels that are widely used to optically activate or silence electrogenic cells such as neurons. Here, we describe the identification and characterization of a set of anion-conducting ChRs (ACRs) from diverse taxa and representing various branches of the ChR phylogenetic tree. The ACR from Mantoniella squamata (MsACR1) showed high sensitivity to yellow-green light ( λ max at 555 nm) and was further engineered for optogenetic applications. A single amino-acid substitution that mimicked red-light sensitive rhodopsins like Chrimson shifted the photosensitivity 20 nm towards red light and accelerated photocurrent kinetics. Hence, it was named red and accelerated ACR, raACR. Both wild-type and mutant are capable optical silencers at low light intensities in mouse neurons in vitro and in vivo , while raACR offers a higher temporal resolution.

Abstract Rhodopsins are widespread in microbes residing in diverse aquatic environments across the globe. Recently, a new unusual rhodopsin family, the heliorhodopsins (HeRs), was discovered, distributed among diverse bacteria, archaea, eukarya and even viruses. Here, using functional metagenomics on samples from Lake Ha’Hula and Ein Afek reserve, we found and characterized ten HeRs representing divergent members of the family. The expressed HeRs absorb light in the green and yellow wavelengths and originate from Actinobacteria, Chloroflexi and Archaea. The photocycle of the HeR from Chloroflexi revealed a low accumulation of the M-intermediate that we connect to the lack of two conserved histidine residues in transmembrane helices 1 and 2 in this protein. Another of HeR, from Actinobacteria, exhibited an unusually fast photocycle (166 ms, 5 times faster than HeR-48C12). To further explore the still unresolved question of the HeR function, we performed an analysis of protein families among genes neighboring HeRs, in our clones and thousands of other microbes. This analysis revealed a putative connection between HeRs and genes involved in oxidative stress. At the same time, very few protein families were found to distinguish genes surrounding prokaryotic HeRs from those surrounding rhodopsin pumps. The strongest association was found with the DegV family involved in activation of fatty acids and uncharacterized family DUF2177, which allowed us to hypothesize that HeRs are involved in membrane lipid remodeling. This work further establishes functional metagenomics as a simple and fruitful method of screening for new rhodopsins. Significance The recently discovered divergent rhodopsin family of heliorhodopsins is abundant in freshwater environments. In this study, we sampled a habitat rich in dissolved organic matter to increase our chances of finding spectrally shifted rhodopsins. Using functional metagenomics, diverse heliorhodopsins absorbing green and yellow light were discovered. The metagenomic clones originated from diverse prokaryotic groups: Actinobacteria, Chloroflexi and even Archaea, emphasizing the versatility of the E. coli expression system used. Photocycles of representative heliorhodopsins were measured and exhibited diverse kinetic characteristics. Analysis of genes neighboring heliorhodopsins in diverse prokaryotes revealed their putative connection to membrane lipid re-modeling and oxidative stress. Our findings suggest that functional metagenomics is a productive method for the discovery of new and diverse rhodopsins.

Abstract Channelrhodopsins are light-gated ion channels consisting of seven-transmembrane helices and a retinal chromophore, which are used as popular optogenetic tools for modulating neuronal activity. Cation channelrhodopsins (CCRs), first recognized as the photoreceptors in the chlorophyte Chlamydomonas reinhardtii , have since been identified in diverse species of green algae, as well in other unicellular eukaryotes. The CCRs from non-chlorophyte species are commonly referred to as bacteriorhodopsin-like channelrhodopsins, or BCCRs, as most of them feature the three characteristic amino acid residues of the “DTD motif” in the third transmembrane helix (TM3 or helix C) matching the canonical DTD motif of the well-studied archaeal light-driven proton pump bacteriorhodopsin. Here, we report characterization of HulaCCR1, a novel BCCR identified through metatranscriptomic analysis of a unicellular eukaryotic community in Lake Hula, Israel. Interestingly, HulaCCR1 has an ETD motif in which the first residue of the canonical motif is substituted for glutamate. Electrophysiological measurements of the wild-type and a mutant with a DTD motif of HulaCCR1 suggest the critical role of the first glutamate in spectral tuning and channel gating. Additionally, HulaCCR1 exhibits long extensions at the N– and C-termini. Photocurrents recorded from a truncated variant without the signal peptide predicted at the N-terminus were diminished, and membrane localization of the truncated variant significantly decreased, indicating that the signal peptide is important for membrane trafficking of HulaCCR1. These characteristics of HulaCCR1 would be related to a new biological significance in the original unidentified species, distinct from those known for other BCCRs.

Careful removal of unwanted proteins is necessary for cell survival. The primary constitutive intracellular protease is the 26S proteasome complex, often found in equilibrium with its free catalytic subcomplex, the 20S core particle. Protein degradation by 26S is tightly regulated by prior ubiquitination of substrates, whereas 20S is amenable to substrates with an unstructured segment. Differentiating their contributions to intracellular proteolysis is challenging due to their common catalytic sites. Here, by chemically synthesizing a synoptic set of homogenous ubiquitinated proteins, we ascribe signature features to 20S function and demonstrate a unique property: degrading the ubiquitin-tag along with the target protein. Cryo-EM confirms that a ubiquitinated substrate can induce asymmetric conformational changes to 20S. Mass-spectrometry of intracellular peptidome under hypoxia and in human failing heart identifies the signature properties of 20S in cells. Moreover, the ability of 20S proteasome to clear toxic proteins rapidly, contributes to better survival under these conditions.