Abstract

 Potassium channels regulate electrical signaling and the ionic composition of biological fluids. Mutations in the three known genes of the KCNQ branch of the K⁺ channel gene family underlie inherited cardiac arrhythmias (in some cases associated with deafness) and neonatal epilepsy. We have now cloned KCNQ4, a novel member of this branch. It maps to the DFNA2 locus for a form of nonsyndromic dominant deafness. In the cochlea, it is expressed in sensory outer hair cells. A mutation in this gene in a DFNA2 pedigree changes a residue in the KCNQ4 pore region. It abolishes the potassium currents of wild-type KCNQ4 on which it exerts a strong dominant-negative effect. Whereas mutations in KCNQ1 cause deafness by affecting endolymph secretion, the mechanism leading to KCNQ4-related hearing loss is intrinsic to outer hair cells.

In this study, the vibrational characteristics of optically excited echinenone in various solvents and the Orange Carotenoid Protein (OCP) in red and orange states are systematically investigated through steady-state and time-resolved spectroscopy techniques. Time-resolved experiments, employing both Transient Absorption (TA) and Femtosecond Stimulated Raman Spectroscopy (FSRS), reveal different states in the OCP photoactivation process. The time-resolved studies indicate vibrational signatures of exited states positioned above the S1 state during the initial 140 fs of carotenoid evolution in OCP, an absence of a vibrational signature for the relaxed S1 state of echinenone in OCP, and more robust signatures of a highly excited ground state (GS) in OCP. Differences in S1 state vibration population signatures between OCP and solvents are attributed to distinct conformations of echinenone in OCP and hydrogen bonds at the keto group forming a short-lived intramolecular charge transfer (ICT) state. The vibrational dynamics of the hot GS in OCP show a more pronounced red shift of ground state C=C vibration compared to echinenone in solvents, thus suggesting an unusually hot form of GS. The study proposes a hypothesis for the photoactivation mechanism of OCP, emphasizing the high level of excitation in longitudinal stretching modes as a driving force. In conclusion, the comparison of vibrational signatures reveals unique dynamics of energy dissipation in OCP, providing insights into the photoactivation mechanism and highlighting the impact of the protein environment on carotenoid behavior. The study underscores the importance of vibrational analysis in understanding the intricate processes involved in early phase OCP photoactivation.

Abstract Found in many organisms, soluble carotenoproteins are considered as antioxidant nanocarriers for biomedical applications, although the structural basis for their carotenoid transfer function, a prerequisite for rational bioengineering, is largely unknown. We report crystal structures of the Carotenoid-Binding Protein from Bombyx mori (BmCBP) in apo- and zeaxanthin (ZEA)-bound forms. We use spectroscopy and calorimetry to characterize how ZEA and BmCBP mutually affect each other in the complex, identify key carotenoid-binding residues, confirm their roles by crystallography and carotenoid-binding capacity of BmCBP mutants and reconstitute BmCBP complexes with biomedically-relevant xanthophylls lutein, zeaxanthin, canthaxanthin and astaxanthin. By cost-effectively and scalably solubilizing xanthophylls from various crude herbal extracts, His-tagged BmCBP remains monomeric and forms a dynamic nanocontainer delivering carotenoids to liposomes and to other carotenoid-binding proteins, which in particular makes the Orange Carotenoid Protein, a promising optogenetic tool, photoactive. Furthermore, BmCBP(ZEA) administration stimulates fibroblast growth, which paves the way for its biomedical applications.

Abstract Carotenoids are lipophilic substances with many biological functions, from coloration to photoprotection. Being potent antioxidants, carotenoids have multiple biomedical applications, including the treatment of neurodegenerative disorders and retina degeneration. Nevertheless, the delivery of carotenoids is substantially limited by their poor solubility in the aqueous phase. Natural water-soluble carotenoproteins can facilitate this task, necessitating studies on their ability to uptake and deliver carotenoids. One such promising carotenoprotein, AstaP (Astaxanthin-binding protein), was recently identified in eukaryotic microalgae, but its structure and functional properties remained largely uncharacterized. By using a correctly folded recombinant protein, here we show that AstaP is an efficient carotenoid solubilizer that can stably bind not only astaxanthin but also zeaxanthin, canthaxanthin, and, to a lesser extent, β-carotene, i.e. carotenoids especially valuable to human health. AstaP accepts carotenoids provided as acetone solutions or embedded in membranes, forming carotenoid-protein complexes with an apparent stoichiometry of 1:1. We successfully produced AstaP holoproteins in specific carotenoid-producing strains of Escherichia coli , proving it is amenable to cost-efficient biotechnology processes. Regardless of the carotenoid type, AstaP remains monomeric in both apo- and holoforms, while its rather minimalistic mass (∼20 kDa) makes it an especially attractive antioxidant delivery module. In vitro , AstaP transfers different carotenoids to the liposomes and to unrelated proteins from cyanobacteria, which can modulate their photoactivity and/or oligomerization. These findings expand the toolkit of the characterized carotenoid-binding proteins and outline the perspective of the use of AstaP as a unique monomeric antioxidant nanocarrier with an extensive carotenoid-binding repertoire.

The voltage-gated potassium channel Kv7.1 (KCNQ1) co-assembles with KCNE1 to generate the cardiac potassium current IKs. Gain- and loss-of-function mutations in KCNQ1 are associated with atrial fibrillation and long-QT (LQT) syndrome, respectively, highlighting the importance of modulating IKs activity for proper cardiac function. On a post-translational level, IKs can be regulated by phosphorylation, ubiquitination and sumoylation. Here, we report proteolysis of Kv7.1 as a novel, irreversible posttranslational modification. The identification of two C-terminal fragments (CTF1 and CTF2) of Kv7.1 led us to identify an aspartate critical for the generation of CTF2 and caspases as responsible for mediating Kv7.1 proteolysis. Activating caspases by apoptotic stimuli significantly reduced Kv7.1/KCNE1 currents, which was abrogated in cells expressing caspase-resistant Kv7.1 D459A/KCNE1 channels. An increase in cleavage of Kv7.1 could be detected in the case of LQT mutation G460S, which is located adjacent to the cleavage site. Application of apoptotic stimuli or doxorubicin-induced cardiotoxicity provoked caspase-mediated cleavage of endogenous Kv7.1 in human cardiomyocytes. In summary, our findings establish caspases as novel regulatory components for modulating Kv7.1 activity which may have important implications for the molecular mechanism of doxorubicin-induced cardiotoxicity.

It is now generally accepted that cyanobacteria are responsible for production of oxygen, which led to the so-called "Great Oxygenation Event". Appearance of dioxygen in Earth's atmosphere resulted in formation of the ozone layer and the ionosphere, which caused significant reduction of ionizing radiation levels at the surface of our planet. This event not only increased biological diversity but also canceled the urgency of previously developed mechanisms of DNA protection, which allowed to survive and develop in harsh environmental conditions including exposure to cosmic rays. In order to test the hypothesis if one of the oldest organisms on Earth retained ancient protection mechanisms, we studied the effect of ionizing radiation (IoR, here: α-particles with a kinetic energy of about 30 MeV) and space flight during the mission of the Foton-M4 satellite on cells of Synechocystis sp. PCC6803. By analyzing spectral and functional characteristics of photosynthetic membranes we revealed numerous similarities between cells exposed to IoR and after the space mission. In both cases, we found that excitation energy transfer from phycobilisomes to photosystems was interrupted and the concentration of phycobiliproteins was significantly reduced. Although photosynthetic activity was severely suppressed, the effect was reversible and the cells were able to rapidly recover from stress under normal conditions. Moreover, in vitro experiments demonstrated that the effect of IoR on isolated phycobilisomes was completely different from such in vivo. These observations suggest that the actual existence and the uncoupling of phycobilisomes under irradiation stress could play specific role not only in photo-, but also in radioprotection, which was crucial for early stages of evolution and the development of Life on Earth.

To counteract oxidative stress, antioxidants including carotenoids are highly promising, yet their exploitation is drastically limited by the poor bioavailability and fast photodestruction, whereas current delivery systems are far from being efficient. Here we demonstrate that the recently discovered nanometer-sized water-soluble carotenoprotein from Anabaena (termed CTDH) transiently interacts with liposomes to efficiently extract carotenoids via carotenoid-mediated homodimerization, yielding violet-purple protein samples amenable to lyophilization and long-term storage. We characterize spectroscopic properties of the pigment-protein complexes and thermodynamics of liposome-protein carotenoid transfer and demonstrate the highly efficient delivery of echinenone form CTDH into liposomes. Most importantly, we show carotenoid delivery to membranes of mammalian cells, which provides protection from reactive oxygen species. The described carotenoprotein may be considered as part of modular systems for the targeted antioxidant delivery.

The Orange Carotenoid Protein (OCP) is indispensable for cyanobacterial photoprotection by quenching phycobilisome fluorescence upon photoconversion from the orange OCPO to the red OCPR form. Cyanobacterial genomes frequently harbor, besides genes for Orange Carotenoid Proteins (OCPs), several genes encoding homologs the N- or C-terminal domains (NTD, CTD) of OCP. Unlike the well-studied NTD homologs, called Red Carotenoid Proteins (RCPs), the role of CTD homologs remains elusive. We show how OCP can be reassembled from its functional domains. Expression of Synechocystis OCP-CTD in carotenoid-producing Escherichia coli yielded violet-colored proteins, which, upon mixing with the RCP-apoprotein, produced an orange-like photoswitchable form that further photoconverted into a species spectroscopically indistinguishable from RCP, thus demonstrating a unique carotenoid shuttle mechanism. The CTD itself is a novel, dimeric carotenoid-binding protein, which effectively quenches singlet oxygen and interacts with the Fluorescence Recovery Protein, assigning physiological roles to CTD homologs and explaining the evolutionary process of OCP formation.

Abstract Background Due to climate change, extreme weather events are becoming more frequent worldwide. An example of such an extreme weather event was the flooding in Western Europe in July 2021. Currently, there are large research gaps regarding how such events, particularly those involving oil pollution, affect people's connection to nature and their perceptions of environmental problems. Perceptions and connections to nature are important factors that influence environmental behavior and decisions. This study examines the influence of the exposure of oil pollution during the 2021 floods on the perception of the natural environment (connection to nature) and of environmental problems (perception of planetary boundaries). To this end, people affected by flooding who have come into direct or indirect contact with oil pollution are examined, with people from unaffected regions serving as a control group. Results No significant differences were found for both the connection to nature and the perception of planetary boundaries between the three groups studied. Connection to nature was at a moderate level in all three groups. In the case of planetary boundaries, it was observed that all boundaries were rated as significantly exceeded in all three groups. Especially the boundary of novel entities to which also oil pollution belongs, was evaluated as highly exceeded. Conclusions The results suggest that extreme weather events do not negatively impact personal connection to nature. Additionally, no significant group differences were found in the assessment of planetary boundaries, which may be attributed to the inherently high assessment scores in Germany. The study provides evidence that perceptions of environmental problems and connection to nature are relatively stable in the face of an extreme weather event with a natural trigger. Further studies are needed to investigate the reasons and consequences of this stability.