Green and red fluorescent proteins: Photo-and thermally induced dynamics probed by site-selective spectroscopy and hole burning

ChemPhysChem

Volumn 6, Issue 5, 2005, Pages 838-849

  Bonsma, S ^a   Purchase, R ^a   Jezowski, S ^a   Gallus, J ^a   Konz F ^a   Volker S ^a,b  

^a LEIDEN UNIVERSITY   (Netherlands)

^b VU UNIVERSITY AMSTERDAM   (Netherlands)

Author keywords

Energy transfer; Fluorescence spectroscopy; Laser spectroscopy; Photochemistry; Proteins

Indexed keywords

ABSORPTION SPECTRA; CHEMICAL REACTIONS; CLONE CELLS; ELECTRONIC STRUCTURE; ENERGY TRANSFER; FLUORESCENCE SPECTROSCOPY; FORSTER RESONANCE ENERGY TRANSFER; IMAGING TECHNIQUES; LASER SPECTROSCOPY; OPTICAL PROPERTIES; PHOTOCHEMICAL REACTIONS; PHOTOPHYSICS;

AUTOFLUORESCENT PROTEINS; CLONING AND EXPRESSION; FLUORESCENCE LINE NARROWING; FLUORESCENCE RESONANCE ENERGY TRANSFER; PROTEIN-PROTEIN INTERACTIONS; RED FLUORESCENT PROTEINS; SITE SELECTIVE SPECTROSCOPY; SPECTRAL-HOLE BURNING;

PROTEINS;

FLUORESCENT PROTEIN 583; GREEN FLUORESCENT PROTEIN; PHOTOPROTEIN; RED FLUORESCENT PROTEIN;

BIOPHYSICS; CHEMICAL MODEL; CHEMISTRY; CONFORMATION; ELECTRON; FLUORESCENCE MICROSCOPY; FLUORESCENCE RESONANCE ENERGY TRANSFER; HEAT; LASER; LIGHT; METABOLISM; METHODOLOGY; MUTATION; PHYSICAL CHEMISTRY; PROTEIN CONFORMATION; PROTEIN SECONDARY STRUCTURE; REVIEW; SPECTROPHOTOMETRY; TEMPERATURE;

BIOPHYSICS; CHEMISTRY, PHYSICAL; ELECTRONS; FLUORESCENCE RESONANCE ENERGY TRANSFER; GREEN FLUORESCENT PROTEINS; HEAT; LASERS; LIGHT; LUMINESCENT PROTEINS; MICROSCOPY, FLUORESCENCE; MODELS, CHEMICAL; MOLECULAR CONFORMATION; MUTATION; PROTEIN CONFORMATION; PROTEIN STRUCTURE, SECONDARY; SPECTROPHOTOMETRY; TEMPERATURE;

EID: 18744373324     PISSN: 14394235     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1002/cphc.200500005     Document Type: Article

References (114)

1. R. Y. Tsien, Annu. Rev. Biochem. 1998, 67, 510-544, and references therein.
2. Green Fluorescent Protein: Properties, Applications and Protocols (Eds.: M. Chalfie, S. Kain), Wiley, New York, 1998.
3. F. G. Prendergast, Methods Cell Biol. 1999, 58, 1-18.
4. Green Fluorescent Proteins (Eds.: K. Sullivan, S. Kay), Academic Press, San Diego, 1999.
5. J. Lippincott-Schwartz, E. Snapp, A. Kenworthy, Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2001, 2, 444-456, and references therein.
6. M. Zimmer, Chem. Rev. 2002, 102, 759-781, and references therein.
7. J. Zhang, R. E. Campbell, A. Y. Ting, R. Y. Tsien, Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2002, 3, 906-918, and references therein.
8. a) J. Lippincott-Schwartz, G. H. Patterson, Science 2003, 300, 87-91, and references therein;
9. b) G. H. Patterson, J. Lippincott-Schwartz, Methods 2004, 32, 445-450.
10. D. C. Prasher, V. K. Eckenrode, W. W. Ward, F. G. Prendergast, M. J. Cormier, Gene 1992, 111, 229-233.
11. a) M. Chalfie, Y. Tu, G. Euskirchen, W.W. Ward, D. C. Prasher, Science 1994, 263, 802-805;
12. b) H. Yokoe, T. Meyer, Nat. Biotechnol. 1996, 14, 1252-1256.
13. C. W. Cody, D. C. Prasher, W. M. Westler, F. G. Prendergast, W.W. Ward, Biochemistry 1993, 32, 1212-1218.
14. R. Heim, D. C. Prasher, R. Y. Tsien, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1994, 91, 12501-12504.
15. A. B. Cubitt, R. Heim, S. R. Adams, A. E. Boyd, L. A. Gross, R. Y. Tsien, Trends Biochem. Sci. 1995, 20, 448-455.
16. a) R. Heim, A. B. Cubitt, R. Y. Tsien, Nature 1995, 373, 663-664;
17. b) M. Ormö, A. B. Cubitt, K. Kallio, L. A. Gross, R. Y. Tsien, S. J. Remington, Science 1996, 273, 1392-1395.
18. R. Heim, R. Y. Tsien, Curr. Biol. 1996, 16, 178-182.
19. G. H. Patterson, S. M. Knobel, W. D. Sharif, S. R. Kain, D. W. Piston, Bio-phys. J. 1997, 73, 2782-2790.
20. a) T. B. McAnaney, E. S. Park, G. T. Hanson, S. J. Remington, S. G. Boxer, Biochemistry 2002, 41, 15489-15494, and references therein;
21. b) O. Griesbeck, G. S. Baird, R. E. Campbell, D. A. Zacharias, R. Y. Tsien, J. Biol. Chem. 2001, 276, 29 188 - 29 194.
22. G. H. Patterson, J. Lippincott-Schwartz, Science 2002, 297, 1873-1877.
23. R. Ando, H. Hama, M. Yamamoto-Hino, H. Mizuno, A. Miyawaki, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2002, 99, 12651-12656.
24. D. M. Chudakov, V. V. Belousov, A. G. Zaraisky, V. V. Novoselov, D. B. Staroverov, D. B. Zorov, S. Lukyanov, K. A. Lukyanov, Nat. Biotechnol. 2003, 21, 191-194.
25. a) A. Miyawaki, Current Op. Neurobiol. 2003, 13, 591-596;
26. b) A. Miyawaki, Developmental Cell 2003, 4, 295-305, and references therein.
27. D. A. Zacharias, G. S. Baird, R. Y. Tsien, Current Opinion Neurobiol. 2000, 10, 416-421.
28. a) R. M. Hoffman, Lancet Oncol. 2002, 3, 546-556;
29. b) R. M. Hoffman, Acta Histochem. 2004, 106, 77-82.
30. M. V. Matz, A. F. Fradkov, Y. A. Labas, A. P. Savitsky, A. G. Zaraisky, M. L. Markelov, S. A. Lukyanov, Nat. Biotechnol. 1999, 17, 969-973.
31. V. V. Verkhusha, K. A. Lukyanov, Nat. Biotechnol. 2004, 22, 289-295, and references therein.
32. H. Mizuno, A. Sawano, P. Eli, H. Hama, A. Miyawaki, Biochemistry 2001, 40, 2502-2510.
33. a) G. S. Baird, D. A. Zacharias, R. Y. Tsien, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2000, 97, 11984-11989;
34. b) L. A. Gross, G. S. Baird, R. C. Hoffman, K. K. Baldridge, R. Y. Tsien, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2000, 97, 11 990-11 995.
35. a) B. J. Bevis, B. S. Glick, Nat. Biotechnol. 2002, 20, 83-87;
36. b) J. Wiedermann, A. Schenk, C. Röcker, A. Girod, K. D. Spindler, G. U. Nienhaus, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2002, 99, 11 646-11 651.
37. R. E. Campbell, O. Tour, A. E. Palmer, P. A. Steinbach, G. S. Baird, D. A. Zacharias, R. Y. Tsien, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2002, 99, 7877-7882.
38. F. Yang, L. G. Moss, G. N. Phillips, Nat. Biotechnol. 1996, 14, 1246-1251.
39. a) R. M. Wachter, B. A. King, R. Heim, K. Kallio, R. Y. Tsien, S. G. Boxer, S. J. Remington, Biochemistry 1997, 36, 9759-9765;
40. b) K. Brejc, T. K. Sixma, P. A. Kitts, S. R. Kain, R. Y. Tsien, M. Ormö, S. J. Remington, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1997, 94, 2306-2311;
41. c) G. J. Palm, A. Zdanov, G. A. Gaitanaris, R. Stauber, G. N. Pavlakis, A. Wlodawer, Nat. Struct. Biol. 1997, 4, 361-365;
42. d) R. M. Wachter, M.-A. Elsliger, K. Kallio, G. T. Hanson, S. J. Remington, Structure 1998, 6, 1267-1277;
43. e) R. Battistutta, A. Negro, G. Zanotti, Proteins 2000, 41, 429-437.
44. a) M. A. Wall, M. Socolich, R. Ranganathan, Nat. Struct. Biol. 2000, 7, 1133-1138;
45. b) D. Yarbrough, R. M. Wachter, K. Kallio, M. V. Matz, S. J. Remington, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2001, 98, 462-467.
46. a) M. Prescott, M. Ling, T. Beddoe, A. J. Oakley, S. Dove, O. Hoegh-Guldberg, R. J. Devenish, J. Rossjohn, Structure 2003, 11, 275-284;
47. b) J. Petersen, P. G. Wilmann, T. Beddoe, A. J. Oakley, R. J. Devenish, M. Prescott, J. Rossjohn, J. Biol. Chem. 2003, 278, 44 626-44 631.
48. a) G. H. Patterson, Nat. Biotechnol. 2004, 22, 1524-1525;
49. b) N. C. Shaner, R. E. Campbell, P. A. Steinbach, B. N. G. Giepmans, A. E. Palmer, R. Y. Tsien, Nat. Biotechnol. 2004, 22, 1567-1572;
50. L. Wang, W. C. Jackson, P. A. Steinbach, R. Y. Tsien, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2004, 101, 16745-16749.
51. a) V. Helms, Current Op. Struct. Biol. 2002, 12, 169-175, and references therein;
52. b) M. A. Lill, V. Helms, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2002, 99, 2778-2781, and references therein.
53. A. A. Voityuk, A. D. Kummer, M. E. Michel-Beyerle, N. Rösch, Chem. Phys. 2001, 269, 83-91, and references therein.
54. T. M. H. Creemers, A. J. Lock, V. Subramaniam, T. M. Jovin, S. Völker, Nat. Struct. Biol. 1999, 6, 557-560.
55. a) T. M. H. Creemers, A. J. Lock, V. Subramaniam, T. M. Jovin, S. Völker, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2000, 97, 2974-2978;
56. b) T. M. H. Creemers, A. J. Lock, V. Subramaniam, T. M. Jovin, S. Völker, Chem. Phys. 2002, 275, 109-121.
57. a) M. E. Martin, F. Negri, M. Olivucci, J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 5452-5464;
58. b) T. Laino, R. Nifosi, V. Tozzini, Chem. Phys. 2004, 298, 17-28, and references therein.
59. a) M. Chattoraj, B. A. King, G. U. Bublitz, S. G. Boxer, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1996, 93, 8362-8367;
60. b) H. Lossau, A. Kummer, R. Heinecke, F. Pöllinger-Dammer, C. Kompa, G. Bieser, T. Jonsson, C. M. Silva, M. M. Yang, D. C. Youvan, M. E. Michel-Beyerle, Chem. Phys. 1996, 213, 1-16;
61. c) A. D. Kummer, J. Wiehler, T. Schüttrigkeit, B. W. Berger, B. Steipe, M. E. Michel-Beyerle, ChemBioChem 2002, 3, 659-663, and references therein;
62. d) K. Winkler, J. Lindner, V. Subramaniam, T. M. Jovin, P. Vöhringer, Phys. Chem. Chem. Phys. 2002, 4, 1072-1081;
63. e) J. T. M. Kennis, D. S. Larsen, I. H. M. van Stokkum, M. Vengris, J. J. van Thor, R. van Grondelle, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2004, 101, 17988-17993.
64. a) D. Mandal, T. Tahara, S. R. Meech, J. Phys. Chem. B 2004, 108, 1102-1107, and references therein;
65. b) M. Vengris, I. H. M. van Stokkum, X. He, A. F. Bell, P. J. Tonge, R. van Grondelle, D. S. Larsen, J. Phys. Chem. A. 2004, 108, 4587-4598, and references therein;
66. c) P. Didier, L. Guidoni, G. Schwalbach, M. Bourotte, A. Follenius-Wund, C Pigault, J.-Y. Bigot, Chem. Phys. Lett. 2002, 364, 503-510;
67. d) A. D. Kummer, C. Kompa, H. Niwa, T. Hirano, S. Kojima, M. E. Michel-Beyerle, J. Phys. Chem. B 2002, 106, 7554-7559, and references therein.
68. a) H. Niwa, S. Inouye, T. Hirano, T. Matsuno, S. Kojima, M. Kubota, M. Ohashi, F. I. Tsuji, Proc. Natl. Aead. Sci. USA 1996, 93, 13617-13622;
69. b) M. Stübner, P. Schellenberg, J. Phys. Chem. A 2003, 107, 1246-1252.
70. L. H. Andersen, H. Bluhme, S. Boyé, T. J. D. Jørgensen. H. Krogh, I. B. Nielsen, S. Brønsted Nielsen, A. Svendsen, Phys. Chem. Chem. Phys., 2004, 6, 2617-2627, and references therein.
71. a) M. H. J. Seifert, D. Ksiazek, M. K. Azim, P. Smialowski, N. Budisa, T. A. Holak, J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 7932-7942;
72. b) M. H. J. Seifert, J. Georgescu, D. Ksiazek, P. Smialowski, T. Rehm, B. Steipe, T. A. Holak, Biochemistry 2003, 42, 2500-2512, and references therein.
73. a) J. J. van Thor, A. J. Pierik, I. Nugteren-Roodzand, A. Xie, K. J. Hellingwerf, Biochemistry 1998, 37 16915-16921;
74. b) J. J. Van Thor, T. Gensch, K. J. Hellingwerf, L. N. Johnson, Nat. Struct. Biol. 2002, 9, 37-41.
75. a) A. F. Bell, D. Stoner-Ma, R. M. Wachter, P. J. Tonge, J. Am. Chem. Soc. 2003 125, 6919-6926, and references therein;
76. b) P. Schellenberg, E. Johnson, A. P. Esposito, P. J. Reid, W. W. Parson, J. Phys. Chem. 2001, 105, 5316-5322, and references therein;
77. c) S. G. Kruglik, V. Subramaniam, J. Greve, C. Otto, J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 10992-10993;
78. d) S. Habuchi, M. Cotlet, R. Gronheid, G. Dirix, J. Michiels, J. Vanderleyden, F. C. De Schryver, J. Hofkens, J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 8446-8447;
79. e) V. Tozzini, A. R. Bizzarri, V. Pellegrini, R. Nifosi, P. Giannozzi, A. Iuliano, S. Cannistraro, F. Beltram, Chem. Phys. 2003, 287, 33.
80. a) V. Tozzini, R. Nifosi, J. Phys. Chem. B 2001, 105, 5797-5803;
81. b) H-Y. Yoo, J. A. Boatz, V. Helms, J. A. McCammon, P. W. Langhoff, J. Phys. Chem. B 2001, 105, 2850-2857.
82. a) D. W. Pierce, N. Hom-Booker, R. D. Vale, Nature 1997, 388, 338;
83. b) R. M. Dickson, B. Cubitt, R. Y. Tsien, W. E. Moerner, Nature 1997, 388, 355-358;
84. c) G. Jung, J. Wiehler, W. Göhde, J. Tittel, Th. Basché, B. Steipe, C. Bräuchle, Bioimaging 1998, 6, 54-61;
85. d) J. Schaffer, A. Volkmer, G. Eggeling, V. Subramaniam, G. Striker, A. M. Seidel, J. Phys. Chem. A 1999, 103, 331-336;
86. e) M. F. García-Parajó, M. Koopman, E. M. H. P. Van Dijk, V. Subramaniam, N. F. Van Hulst, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2001, 98, 14392-14397;
87. f) M. Cotlet, J. Hofkens, S. Habuchi, G. Dirix, M. van -Guyle, J. Michiels, J. Vanderleyden, F. C. De Schryver, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2001, 98, 14398-14403;
88. g) G. Chirico, F. Cannone, A. Diaspro, S. Bologna, V. Pellegrini, R. Nifosi, F. Beltram, Phys. Rev. E 2004, 70, 030 901-1-30 901-4, and references therein.
89. a) A. Zumbusch, G. Jung, Single Mol. 2000, 1, 261-270;
90. b) M. F. García-Parajó, J.-A. Veerman, R. Bouwhuis, R. Vallée, N. F. Van Hulst, ChemPhysChem 2001, 2, 347-360;
91. c) W. E. Moerner, J. Chem. Phys. 2002, 117, 10 925-10 937.
92. a) G. S. Harms, L. Cognet, P. H. M. Lommerse, G. A. Blab, Th. Schmidt, Biophys. J. 2001, 80, 2396-2408;
93. b) G. S. Harms, L. Cognet, P. H. M. Lommerse, G. A. Blab, H. Kahr, R. Gamsjäger, H. P. Spaink, N. M. Soldatov, C. Romania T. Schmidt, Biophys. J. 2001, 81, 2639-2646, and references therein.
94. a) U. Haupts, S. Mati, P. Schwille, W. W. Webb, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1998, 95, 13 573-13 578;
95. b) F. Malvezzi-Campeggi, M. Jahnz, K. G. Heinze, P. Dittrich, P. Schwille, Biophys. J. 2001, 81, 1776-1785, and references therein.
96. S. Bonsma, J. Gallus, F. Könz, R. Purchase, S. Völker, J. Lumin. 2004, 107, 203-212.
97. F. Könz, R. Purchase, S. Bonsma, J. Gallus, S. Völker, J. Lumin. 2004, 108, 153-157.
98. a) S. Völker in Relaxation Processes in Molecular Excited States (Ed.: J. Fünfschilling), Kluwer, Dordrecht, 1989, pp. 113-242 and references therein;
99. b) S. Völker, Annu. Rev. Phys. Chem. 1989, 40, 499-530, and references therein;
100. c) T. M. H. Creemers, S. Völker in Shpol'skii Spectroscopy and Other Site-Selection Methods (Eds.: C. Gooijer, F. Ariese and J. W. Hofstraat), John Wiley & Sons, New York, 2000, pp. 273-306 and references therein.
101. F. T. H. den Hartog, J. P. Dekker, R. van Grondelle, S. Völker, J. Phys. Chem. B 1998, 102, 11 007-11 016.
102. M. L. Groot, J. P. Dekker, R. van Grondelle, F. T. H. den Hartog, S. Völker, J. Phys. Chem. 1996, 100, 11 488-11 495.
103. W. W. Ward, C. W. Cody, R. C. Hart, M. J. Cormier, Photochem. Photobiol. 1980, 31, 611-615.
104. C. Seebacher, F. W. Deeg, C. Bräuchle, J. Wiehler, B. Steipe, J. Phys. Chem. B 1999, 103, 7728-7732.
105. J. Wiehler, G. Jung, C. Seebacher, A. Zumbusch, B. Steipe, ChemBioChem 2003, 4, 1164-1171.
106. A. A. Heikal, S. T. Hess, G. S. Baird, R. Y. Tsien, W. W. Webb, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2000, 97, 11 996-12 001.
107. T. A. Schüttrigkeit, U. Zachariase, T. von Feilitzsch, J. Wiehler, J. von Hummel, B. Steipe, M. B. Michel-Beyerle, ChemPhysChem 2001, 5, 325-328.
108. B. Lounis, J. Deich, F. I. Rosell, S. G. Boxer, W. E. Moerner, J. Phys. Chem. B 2001, 105, 5048-5054.
109. a) Th. Förster, Ann. Phys. 1948, 2, 55;
110. b) Th. Förster in Modern Quantum Chemistry, Part III (Ed.: O. Sinanoglu), Academic Press, New York, 1965, 93.
111. a) F. T. H. den Hartog, C. van Papendrecht, R. J. Silbey, S. Völker, J. Phys. Chem. B 1999, 110, 1010-1016;
112. b) F. T. H. den Hartog, C. van Papendrecht, U. Störkel, S. Völker, J. Phys. Chem. B 1999, 103, 1375-1380.
113. a) I.-J. Lee, J. M. Hayes, G. J. Small, J. Chem. Phys. 1989, 91, 3463-3469;
114. b) J.-G. van der Toorn, M. Sc. Thesis, Leiden University, 1997.