Einige der lichtempfindlichen Zellen der Netzhaut können alte Wurzeln haben.

Wissenschaftler der Johns Hopkins Medicine sagen, dass sie einen alten Lichtsensor-Mechanismus in modernen Netzhautzellen der Maus identifiziert haben.

„Einige Evolutionsbiologen haben vorgeschlagen, dass alte Organismen zwei verschiedene Lichtreaktionsmechanismen hatten, die in einem einzigen Photorezeptor koexistierten, und durch die Evolution trennten sich diese beiden Mechanismen in verschiedene Zelltypen. Unsere Forschung scheint Beweise dafür zu liefern, dass Photorezeptoren, die beide Lichtsensor-Mechanismen enthalten, bei modernen Säugetieren noch existieren können“, sagt Dr. King-Wai Yau, Professor für Neurowissenschaften an der Johns Hopkins University School of Medicine. In einem Bericht über ihre Experimente an Mäusen, der am 18. Oktober in Cell veröffentlicht wurde, sagen die Wissenschaftler, dass sie ihre Forschung auf lichtsensorische Zellen konzentriert haben, die die sogenannte „Nicht-Bildformung“ der Vision steuern.

„Wenn wir über das Sehen nachdenken, neigen wir dazu, es mit dem Sehen eines Bildes zu verbinden, wie z.B. des Gesichts einer Person. Aber Licht hat auch andere Effekte, wie z.B. die Verengung unserer Pupillen bei hellem Licht, um die Intensität auf unserer Netzhaut zu begrenzen, oder die Überwindung von Jetlag bei Reisen durch Zeitzonen“, sagt Yau, der auch Professor für Augenheilkunde am Johns Hopkins Wilmer Eye Institute ist.

Ein solches bildloses Sehen, sagt Yau, wird von einer Untergruppe von Ganglienzellen kontrolliert, die sich in der Netzhaut vieler, höchstwahrscheinlich aller Säugetiere, einschließlich Menschen, befinden. Diese Zellen, die als intrinsisch lichtempfindliche retinale Ganglienzellen (ipRGCs) bezeichnet werden, sind Photorezeptoren, ähnlich wie die bekannteren Stäbchen und Zapfen, und es gibt fünf Subtypen von ihnen, M1 bis M5.

Um den biochemischen Weg zu verstehen, mit dem ipRGCs auf Licht reagieren, haben Yau und seine Kollegen zunächst die Anatomie anderer Photorezeptoren untersucht.

Die meisten Photorezeptoren haben entweder eine Art Schwanz namens Cilium oder eine getuftete Protrusion namens Microvilli. Die Photorezeptoren, die eine Cilium oder Cilien auf ihrer Oberfläche tragen, verwenden eine intrazelluläre Chemikalie namens zyklisches Nukleotid, um auf Licht zu reagieren. Andere Photorezeptoren, die mit Mikrovilli gesprenkelt sind, verwenden stattdessen ein Enzym namens Phospholipase C, um auf Licht zu reagieren. Bisher konnten die beiden Wege nicht in einem einzigen Photorezeptor koexistieren.

Es stellt sich heraus, dass ipRGCs keine Cilien oder Mikrovillen haben, so dass die Wissenschaftler keine anatomische Ahnung hatten, auf welchen Weg sie auf Licht reagieren. Aber in der Forschung, die 2011 von Yau’s Team veröffentlicht wurde, fanden sie heraus, dass der M1-Subtyp von ipRGCs den Phospholipase C-Pfad verwendet.

Für die aktuelle Arbeit konzentrierten sich Yau und sein Team auf die Subtypen M2 und M4 der ipRGCs, um zu bestimmen, ob sie den gleichen biochemischen Pfad wie M1-Zellen verwendeten.

Um dies zu tun, haben die Johns Hopkins Wissenschaftler gentechnisch veränderte Mäuse entwickelt, um molekulare Komponenten im Phospholipase C Pfad zu entfernen. Wenn M2- und M4-Zellen auch den Phospholipase C-Pfad nutzen würden, würde eine Unterbrechung des Pfades die Fähigkeit der Zellen, auf Licht zu reagieren, beeinträchtigen.

Unabhängig davon, wie die Wissenschaftler den Phospholipase C-Signalweg störten, reagierten M4-Zellen jedoch immer noch auf Licht, ohne die Größe der Reaktion zu verringern, und M2-Zellen reagierten etwa halb so stark wie Kontrollmäuse. So scheinen M2-Zellen zum Teil den Phospholipase C-Pfad zu nutzen, aber M4-Zellen nutzen ihn kaum.

„Das hat uns veranlasst, nach einem alternativen Weg zu suchen, den die Zellen nutzen könnten“, sagt Dr. Zheng Jiang, ein Forschungsmitarbeiter, der in Yaus Labor arbeitet.

Auf ihrer Suche, so Jiang, fanden sie einen biochemischen Weg mit HCN-Kanälen, der, wenn er unterbrochen wurde, die intrinsische Lichtreaktion in M4-Zellen fast vollständig und in M2-Zellen teilweise blockierte. So verwendeten M2-Zellen sowohl die Phospholipase C als auch den neu gefundenen HCN-Kanalweg, und M4-Zellen schienen den HCN-Pfad hauptsächlich zu nutzen.

HCN-Kanäle, die für hyperpolarisations-aktivierte und zyklisch nukleotidgesteuerte Kanäle stehen, finden sich auch in Säugerherzzellen, die als Herzschrittmacher zur Einstellung der Herzfrequenz fungieren.

Die Beobachtung, dass M2-Zellen zwei biochemische Wege für die Lichtreaktion nutzen, deutet auf eine primäre Verbindung hin, sagen die Forscher, die auf den Vorschlag der Evolutionsbiologen zurückgeht, dass der früheste Photorezeptor beide Mechanismen in derselben Zelle enthalten kann.

Yau sagt, dass dieses Phänomen wahrscheinlich auch in der Netzhaut des Menschen existiert.

Mehr Informationen:
Zheng Jiang et al, Cyclic-Nucleotide- und HCN-Channel-Mediated Phototransduction in Intrinsically Photosensitive Retinal Ganglion Cells, Cell (2018). DOI: 10.1016/j.cell.2018.08.055

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