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Red fluorescent proteins engineered from green fluorescent proteins

荧光团 绿色荧光蛋白 荧光 化学 蛋白质工程 生物物理学 氨基酸 蛋白质结构 生物化学 生物 基因 物理 量子力学
作者
Hiromi Imamura,Shiho Otsubo,Mitsuo Nishida,Norihiro Takekawa,Katsumi Imada
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:120 (45) 被引量:1
标识
DOI:10.1073/pnas.2307687120
摘要

Fluorescent proteins (FPs) form a fluorophore through autocatalysis from three consecutive amino acid residues within a polypeptide chain. The two major groups, green FPs (GFPs) and red FPs (RFPs), have distinct fluorophore structures; RFPs have an extended π-conjugation system with an additional double bond. However, due to the low sequence homology between the two groups, amino acid residues essential for determining the different fluorophore structures were unclear. Therefore, engineering a GFP into an RFP has been challenging, and the exact mechanism of how GFPs and RFPs achieve different autocatalytic reactions remained elucidated. Here, we show the conversion of two coral GFPs, AzamiGreen (AG) and mcavGFP, into RFPs by defined mutations. Structural comparison of AG and AzamiRed1.0, an AG-derived RFP, revealed that the mutations triggered drastic rearrangements in the interaction networks between amino acid residues around the fluorophore, suggesting that coordinated multisite mutations are required for the green-to-red conversion. As a result of the structural rearrangements, a cavity suitable for the entry of an oxygen molecule, which is necessary for the double bond formation of the red fluorophores, is created in the proximity of the fluorophore. We also show that a monomeric variant of AzamiRed1.0 can be used for labeling organelles and proteins in mammalian cells. Our results provide a structural basis for understanding the red fluorophore formation mechanism and demonstrate that protein engineering of GFPs is a promising way to create RFPs suitable for fluorescent tags.
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