Новооткрытая двухклеточная система цветового детектирования у миноги — ключ к эволюции цветового зрения

Исследователи из Японии, используя миногу, проанализировали фотосенсорный механизм пинеального органа (шишковидной железы) у немлекопитающих позвоночных и обнаружили новый механизм цветовой дискриминации в пинеальном органе — двухклеточную систему. В ней два типа фоторецепторных клеток, каждый из которых содержит два разных опсина, используются для детекции цвета. Это открытие может дать представление об эволюции цветового детектирования у других животных, включая цветовое зрение человека.

У большинства немлекопитающих позвоночных система цветового детектирования в пинеальном органе мозга реализована в одной клетке. Новое исследование, проведенное в сотрудничестве с Университетом Нары, обнаружило двухклеточную систему у миноги — бесчелюстной рыбы, сохранившей многие примитивные черты среди позвоночных. Исследовательская группа предположила, что одноклеточное цветовое детектирование у большинства рыб и рептилий эволюционировало из двухклеточной системы.

Ранее группа показала, что, в отличие от миноги, пинеальный орган рыб и рептилий детектирует цвет с помощью двух типов светочувствительных белков — опсинов, расположенных в одной клетке. В новом исследовании под руководством профессора Акихисы Тэракиты было обнаружено, что UV-чувствительный парапинопсин и зеленочувствительный париетопсин, присутствующие в одной фоторецепторной клетке рыб и рептилий, экспрессируются в отдельных клетках миноги.

Результаты опубликованы в BMC Biology.

«Мы предлагаем удивительный сценарий, при котором механизм цветового детектирования пинеального органа, который был разделен на две клетки, интегрировался в одну клетку в ходе эволюции», — заявляет профессор Мицумаса Коянаги.

В ходе исследования команда проанализировала систему цветового детектирования пинеального органа миноги и сравнила ее с одноклеточными системами рыб и рептилий. С помощью секвенирования ДНК они идентифицировали у миноги набор генов, кодирующих два опсина, найденных в одноклеточной системе. К их удивлению, анализ экспрессии генов белков показал, что эти опсины экспрессируются в отдельных клетках.

Из предыдущих исследований команда знала, что одноклеточная система производит ответ гиперполяризации при получении UV-света и деполяризации в ответ на видимый свет. Электрофизиологический анализ клеточных ответов показал, что двухклеточная система миноги также чувствительна к UV- и видимому свету таким же образом.

«Чтобы дополнительно укрепить нашу гипотезу о том, что двухклеточная система, подобная найденной у более примитивной миноги, могла быть эволюционным предком одноклеточной системы рыб и рептилий, нам также необходимо было исследовать белки, участвующие в преобразовании световой информации в клеточные ответы», — заявляет профессор Акихиса Тэракита.

С помощью иммуногистохимического анализа команда обнаружила, что белки G_t и G_o, которые, как они подтвердили в предыдущих исследованиях на zebrafish, используются UV- и видимо-светочувствительной клеткой в одноклеточной системе, ответственны за те же ответы в двухклеточной системе.

В предыдущей работе команда проверила фоторецепторные ответы для одноклеточной системы при различных интенсивностях искусственного света, чтобы показать, что она хорошо работает даже в условиях сильного освещения. Чтобы прояснить потенциальное преимущество этого эволюционного изменения, команда исследовала нейротрансмиттеры в двух клетках и обнаружила, что UV- и видимо-светочувствительные клетки используют один и тот же нейротрансмиттер для интеграции каждого сигнала в следующую клетку для генерации цветовой информации.

«Мы полагаем, что процесс интеграции на уровне нейротрансмиттеров может ухудшать соотношение сигнал/шум в условиях сильного освещения», — заявляет Сэйдзи Вада.

Среди многих возможностей, которые открывает это открытие, команда сосредоточилась на его последствиях для человеческого глаза. Глаз, ответственный за зрение, и пинеальный орган, ответственный за функции, отличные от зрения, имеют одно происхождение. Идея о том, что система цветового детектирования пинеального органа эволюционировала из многоклеточной в одноклеточную систему, в то время как глаз, как считается, эволюционировал со сложными нейронными цепями для обработки множества клеток, должна облегчить наше понимание зрительных и незрительных функций. Это эволюционное понимание предполагает, что для решения проблем с цветовой слепотой, вместо того чтобы ограничиваться реконструкцией сложной многоклеточной системы, в будущем может стать вариантом ее объединение в одноклеточную систему.