Молодые
Platynereis trochophores обнаруживают мощный позитивный фототаксис с первого дня развития. У поздних trochophore личинок, рабдомерного типа опсин, r-opsin1, экспрессируется как в глазках, так и во взрослых глазах. Мы идентифицировали у
Platynereis ещё один тип рабдомерного опсина, r-opsin3, который экспрессируется в одиночном фоторецепторе глазков у ранних trochophores, подтверждая, что он обеспечивает фототаксис ранних личинок. Установлено, что r-opsin1 и r-opsin3 экспрессируются в соседних фоторецепторных клетках глазков на поздних стадиях, указывая тем самым, что в глазке дифференцируется второй фоторецептор у поздних trochophore личинок. Используя serial transmission electron microscopy (TEM), мы идентифицировали и реконструировали оба фоторецептора и пигментную клетку в глазках поздних личинок. Мы также охарактеризовали экспрессию опсина во взрослых глазах и установили, что два опсина экспрессируются совместно в некоторых фоторецепторных клетках. Используя антитела, распознающие белки r-opsin1 и r-opsin3, мы продемонстрировали, что оба опсина локализуются в рабдомерах всех 6 глаз. Кроме того, мы установили, что мРНК r-opsin1 располагается в и транслируется в проекциях взрослых глаз. Мы описали специфические изменения в транскрипции и трансляции опсина и в клеточном составе, подтвердив, что 6 личиночных глаз подвергаются спектральному и функциональному созреванию во время ранней планктонной фазы жизненного цикла
Platynereis .
Начало экспрессии r-opsin3 в глазках коррелирует с появлением позитивного фототаксиса у личинок. Это вместе с локализацией белка r-opsin3 в фоторецепторах рабдомера подтверждает, что r-opsin3 является функциональным фоторецептором фототаксиса у ранних trochophore личинок. Учитывая относительно широкий спектр действия (365-545 nm) фототаксиса у ранних личинок (Jekely et al. 2008), r-opsin3 может быть не только опсином, обеспечивающим это поведение. Присутствуют два отличающиеся фоторецептора, экспрессирующие разные опсины в глазках у поздних личинок, это подтверждает, что у более старых личинок глазки могут приобретать др. функцию помимо регуляции фототаксиса. Функция фототаксиса глазков поддерживается до тех пор, пока экспрессируется r-opsin3 в вентральных глазах. Устойчивая экспрессия r-opsin1 в глазках в ходе личиночной и ювенильной стадии указывает, что глазки функционируют и на более поздних стадиях развития. Вновь сформировавшийся фоторецептор, экспрессирующий r-opsin1 из глазка проецирует свой аксон в апикальное нервное сплетение скорее, чем в клетки верхнего реснитчатого кольца (prototroch), подтверждая, что глазок формирует более сложные связи (circuitry), обеспечивая аспекты поведения на свет помимо фототаксиса (напр., обеспечение суточного ритма).
Трансгенная линия Platynereis, экспрессирующая enhanced green fluorescent protein (EGFP) под контролем цис-регуляторных элементов r-opsin1 , выявила присутствие ассоциированных с пигментом глазков (eyelets (frontolateral eyelets)) у ювенильной формы и взрослых Platynereis (Backfisch et al. 2013). Постоянное присутствие r-opsin1 в глазках (eyespots) в течение всей личиночной стадии, присутствие пигмента и экспрессия pax6 в глазках ранних личиночных стадий (Backfisch et al. 2013) указывает на то, что фронтолатеральные глазки (eyelets) эквивалентны глазкам (eyespots).
Филогенетическое древо указывает на то, что дивергенция r-opsin1 и r-opsin3 происходит прежде дивергенции сидячих и странствующих аннлид. Мы установили, что два опсина экспрессируются в соседних клетках в eyespots и экспрессируются одновременно во взрослых глазах. Интересно, что присутствие двух фоторецепторов описано в глазках сидячих аннлид Pectinaria koreni и Spirorbis spirorbis (Bartolomaeus 1992a). Двуклеточные глазки возникают также у Sipuncula (Blumer 1997), скорее всего, сестринской группы Errantia-Sedentaria clade (Struck et al. 2011).
Некоторые моллюсковые r-opsins формируют clade (Clade II) с r-opsin1 и r-opsin3 аннелид. Некоторые моллюски имеют everse rhabdomeric глаза на личиночной и взрослой стадии. Эти глаза морфологически сходны со взрослыми глазами аннелид (Gibson 1984). It will be interesting to test whether Clade II opsins are expressed in these molluskan eyes.
В глазах взрослых Platynereis присутствие обоих r-opsins в фоторецепторных рабдомерах вблизи пигментных чаш (cups), согласуется с их ролью по детекции направления исходящего света. Некоторые примеры одновременной экспрессии опсинов известны у животных и указывают на то, что спектральные их свойства различны, они могут расширять спектральную чувствительность фоторецепторов (Arikawa et al. 2003). Ко-экспрессия описинов в глазах взрослых Platynereis могут служить сходной функции.
Альтернативно, фоторецепторы могут менять опсины, которые они экспрессируют во время онтогенетического перехода, как у Drosophila (Sprecher and Desplan 2008). Мы можем исключить такое онтогенетическое переключение у Platynereis, принимая во внимание, что два опсина совместно экспрессируются во взрослых глазах и присутствуют в течение всех личиночной и взрослой стадии.
Помимо их канонической локализации в клеточных телах фоторецепторов и rhabdom, мРНК и белок r-opsin1 присутствуют также в окончаниях аксонов фоторецепторов, указывая на локализацию мРНК и локальную трансляцию. Локализация мРНК широко распространенный и важный регуляторный механизм пост-трансляционной регуляции экспрессии генов в нейронах и др. типах клеток (Martin and Ephrussi 2009). Локализация мРНК r-opsin1 в аксонах фоторецепторов может иметь функциональное значение в восприятии света. Поскольку окончания аксонов не затемнены пигментом, то присутствующие здесь молекулы опсина не могут обладать функцией в направлении чувствительности. В окончаниях аксонов r-opsin1 может играть более общую регуляторную роль, напр., в определении интенсивности освещенности.
| |
|
|
Elife. 2014 May 27;3. doi: 10.7554/eLife.02730.
Neuronal connectome of a sensory-motor circuit for visual navigation.
Randel N1, Asadulina A1, Bezares-Calderon LA1, Veraszto C1, Williams EA1, Conzelmann M1, Shahidi R1, Jekely G1. |
Животные используют пространственные различия в уровнях осещенности среды для зрительной навигации; однако, как световые импульсы транслируются в скоординированные моторные реакции остается непонятным. Мы реконструировали нейрональный коннектом 4-глазового зрительного циркуита у личинок аннелид Platynereis используя ТЭМ для серийных срезов. В этом циркуите из 71 нейрона фоторецепторы соединяются посредством трех слоёв промежуточных нейронов к двигательным нейронам, которые иннервируют мышцы туловища. Путем комбинирования удаления глаз с поведенческими экспериментами мы показали, что circuit сравнивает свет на каждой из сторон тела и стимулирует изгиб тела в направлении левого или правого источника дисбаланса света во время зрительного фототаксиса. Мы также установили мотив интернейронов, который усиливает чувствительность к разной интенсивности контраста света. Циркуит глаз Platynereis имеет признаки зрительной системы, включая пространственное направление света и модуляции контраста, иллюстрируя, как формирующие изображение глаза могли развиться посредством промежуточных стадий определения контраста между полем света и темноты как простой зрительной цели.
Analysis of the Opsin Repertoire in the Tardigrade Hypsibius dujardini Provides Insights into the Evolution of Opsin Genes in Panarthropoda
Genome Biol Evol (2014) 6 (9): 2380-2391
Последовательный раздел просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) реконструкция глазка фоторецептора, показывающий прямой иннервацию мерцательного клетки от фоторецепторных клеток.