Исследователи из Окинавского института науки и технологии (OIST) обнаружили, что белок под названием Dscamb «расставляет» колбочки по сетчатке рыбок зебрафиш, обеспечивая такое расстояние между клетками, чтобы зрение было оптимальным. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Найден белок, так распределяющий колбочки по сетчатке, чтобы зрение было оптимальным
В сетчатке позвоночных есть специализированные фоторецепторы, отвечающие за цветовое зрение (колбочки). Они расположены в виде узоров, известных как «колбочковая мозаика». Исследователи из Окинавского института науки и технологии (OIST) обнаружили, что белок под названием Dscamb «расставляет» колбочки по сетчатке рыбок зебрафиш, обеспечивая такое расстояние между клетками, чтобы зрение было оптимальным.
Зебрафиш. https://frederick.cancer.gov/
Фоторецепторов в одном глазу человека очень много — около 100 миллионов, но большая часть это палочки, отвечающие за черно-белое зрение. А колбочек гораздо меньше — около 6-7 миллионов. Но оттого как колобочки размещены на сетчатке зависит зрительное восприятия. И наконец раскрыт механизм, который управляет этой расстановкой.
Сетчатка
Два разных примера колбочковой мозаики. Иллюстрация распределения колбочковых клеток в фовеа (центральной ямке) человека с нормальным цветовым зрением (слева) и в сетчатке дальтоника (протанопика).
Сетчатка позвоночных содержит фоторецепторные клетки, которые преобразуют свет в нейронные сигналы. Эти фоторецепторы бывают двух основных типов: палочки, которые работают при тусклом свете, и колбочки, которые работают при ярком свете и обеспечивают цветовое зрение. Колбочки в свою очередь подразделяются на различные типы в зависимости от длины волны света, которую они распознают. У зебрафиш существует четыре типа колбочек: красные, зеленые, синие и ультрафиолетовые (у человека ультрафиолетовых колбочек — нет).
«Колбочковая мозаика» представляет собой особым образом организованное пространственное расположение различных типов колбочек на сетчатке. Они расположены не хаотично. Колбочки одного типа находятся на определенных расстояниях друг от друга и образуют узор вместе с другими типами колбочек. Это и создает своего рода регулярную мозаику.
У зебрафиш четыре типа колбочек собраны в решетчатый узор. Об этой сложной мозаике колбочек у рыб было сообщено еще в конце XIX века. Однако молекулы, которые непосредственно регулируют формирование мозаичного узора у позвоночных, не были идентифицированы.
Ученые предположили, что распределением колбочек управляет белок Dscamb и их предположение подтвердилось. «Мы генетически модифицировали зебрафиш так, чтобы у них отсутствовал функциональный белок Dscamb, чтобы проверить нашу гипотезу о том, что этот белок участвует в формировании колбочковой мозаики», — объясняет соавтор работы доктор Донгпенг Ху. — «Мы обнаружили, что у мутантов зебрафиш нарушена мозаика колбочек, особенно расположение красных колбочек».
(Левые панели) Мозаичный рисунок колбочек у взрослых зебрафиш, демонстрирующий решетчатое регулярное расположение четырех типов колбочковых клеток. (Правые панели) Мозаичная картина колбочек у рыб, у которых отсутствует ген Dscamb на одной или обеих гомологичных хромосомах. Dscamb был идентифицирован как молекула, регулирующая расположение клеток красных колбочек. Потеря Dscamb вызывает кластеризацию красных колбочек, что приводит к нарушению регулярного мозаичного рисунка колбочек.
Как красные колбочки узнают друг друга
На ранней стадии дифференциации фоторецепторов зебрафиш колбочки выбрасывают тонкие выросты, называемые филоподиями, но физиологическая роль филоподий в дифференциации фоторецепторов была неизвестна. Вообще филоподии использует большинство клеток, эти выросты позволяют клеткам прощупывать окружающее пространство. Обычно филоподии живут около секунды, но это хватает, чтобы клетка успела сориентироваться.
Чтобы прояснить роль Dscamb в формировании мозаики колбочек, исследователи использовали флуоресцентные метки для визуализации того, где белки Dscamb расположены внутри клеток. Оказалось, но белки Dscamb локализуются в кончиках филоподий.
Расположение фоторецепторных клеток красных колбочек: (Слева) В сетчатке дикого типа красные колбочки протягивают многочисленные филоподии к соседним клеткам, но эти филоподии прекращают рост, когда сталкиваются с другими красными колбочками (белые стрелки). (Средняя) У мутантов Dscamb филоподии красных колбочек продолжают расти даже после контакта с соседними красными колбочками (белые стрелки). (Справа) Временные ряды динамики удлинения/вытягивания филоподий красных колбочек дикого типа и Dscamb-мутантов, которые обозначены желтыми прямоугольниками на левой и средней панелях.
Исследователи изучили поведение филоподий красных колбочек. С помощью покадровой съемки они обнаружили, что красные колбочки вытягивают эти филоподии к соседним красным колбочкам, касаются соседей, а затем втягиваются филоподии обратно. Этот процесс постепенно устанавливает правильное расстояние между красными колбочками. У мутантов Dscamb филоподии красных колбочек не смогли должным образом втянуться после контакта с другой красной колбочкой, они остались прикрепленными к соседней клетке или даже вторглись в ее поверхность. Это привело к аномальному скоплению красных колбочек и нарушению мозаичных узоров.
Таким образом, филоподии колбочек функционируют как антенны, чтобы исследовать окружающую среду и определить, являются ли соседние колбочки одного типа или нет. Когда филоподии от одной красной колбочки контактируют с другой красной колбочкой, белки Dscamb взаимодействуют и отталкиваются друг друга, что заставляет филоподии втягиваться. Этот механизм избегания гарантирует, что красные колбочки сохраняют правильное расстояние друг от друга. Тоже самое происходит и с синими колбочками, но от белка Dscamb они, видимо, не зависят.
Открытие роли белка Dscamb в формировании мозаики колбочек у зебрафиш имеет важные последствия для исследований зрения. Оно показывает молекулярную основу для точного расстояния между фоторецепторами, имеющего решающее значение для оптимального зрения, и создает возможности для исследования подобных механизмов при расстройствах сетчатки у человека. Эти поможет улучшить диагностические подходы, варианты лечения и стратегии регенерации сетчатки.