Родопсины являются с G белком сцепленными рецепторами, которые действуют в качестве воспринимающих свет элементов в фоторецепторах (PRs), а нарушения доставки родопсинов части приводят к дегенерации PR у человека и мух [1]-[5]. Поскольку зрение не обязательно для жизнеспособности животных, то предыдущие исследования на Drosophila основном были сконцентрированы на жизнеспособных мутациях, специфически нарушающих функцию PR [1]. Однако, скорее всего, имеются многочисленные дополнительные игроки, кодируемые важными, но ещё не идентифицированными генами. Мы осуществили специфичный для глаз генетический скрининг мозаиков [6] и установили, что потеря субъединиц ретромеров вызывает индуцируемую светом дегенерацию PR.

Ретромер, гетеро-мультимерный белковый комплекс, восстанавливающий специфические белки из эндосом, предупреждая тем самым деградацию этих белков в лизосомах [7]-[9]. Ретромер состоит из Vps26, Vps29, Vps35 и определенных sorting nexins (Snx) (Figure 1A, [7]-[9]). Большинство субъединиц эволюционно законсервированы (Figure 1A, [7]-[9]). Мутации в некоторых из субъединиц (Vps35 или Snx3) ретромера, как было установлено, снижают концентрацию Wntless (Wls) и нарушают секрецию Wingless (Wg), лиганда сигнального пути Wnt [10]-[14]. Wls является трансмембранным белком, который соединяется с Wg и необходим для секреции Wg [15],[16]. Нарушение функции ретромера приводит к избыточной деградации Wls лизосомах, сильному снижению секреции Wg и передачи сигналов [10]-[14]. Ретромер поддерживает также уровни Crumbs, трансмембранного белка, необходимого для поддержания апикально-базальной полярности в некоторых тканях [17],[18]. Недавно мутации в VPS35 человека, как было установлено, вызывают доминантно наследуемую форму болезни Паркинсона (PD) [19],[20]. Однако ретромеры не обнаруживали участия в нейронах зрительной системы у мух и позвоночных.

Компаундные глаза Drosophila представлены ~800 гексогональными единицами, наз. омматидиями [1],[2],[21],[22]. Каждый омматидий содержит 8 PRs (R1-R8), экспрессирующих родопсиновые белки [1],[2],[21]-[23]. Rhodopsin 1 (Rh1) является основным родопсином, который преимущественно экспрессируется в R1-R6 [1],[2],[21],[22]. Он синтезируется и упаковывается в эндоплазматическом ретикулуме (ER) и транспортируется в рабдомеры, уложенные штабелями мембранозные структуры в PRs, посредством секреторного пути [1],[2],[21]. Соответствующий транспорт Rh1 из ER в рабдомеры нуждается в молекулярных шаперонах [24]-[30] и Rab GTPases [24]-[33]. Соединение opsins с хромоформами [34]-[40], также как гликозилирование и дегликозилирование белков [41]-[44] важны для упаковки и созревания Rh1. Мутации в генах, участвующих в синтезе, укладке или транспорте Rh1, могут приводить к аномальному развитию PR или к дегенерации PR [24],[25],[32],[41]-[43],[45]-[51].

Фототрансдукция в PRs базируется на активации Rh1 с помощью фотонов (Figure S1A, [52]). Активный Rh1 (metarhodopsin, M*) активирует phospholipase C (PLC) [53], которая гидролизирует phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate (PIP2), чтобы дать diacylglycerol (DAG) [54]. DAG или его метаболиты могут активировать Transient Receptor Potential (TRP) и TRP-подобные катионовые каналы, то приводит к деполяризации PRs [55]-[59]. Подобно PRs мух, у позвоночных intrinsically photosensitive retinal ganglion cells (ipRGCs) используют melanopsin (гомолог мушиного Rh1) в качестве чувствительного к свету элемента и нуждаются в PLC и TRPC каналах для активации [60]-[63]. Клетки ipRGCs проецируют свои аксоны в специфические области головного мозга, чтобы контролировать циркадный ритм [64]-[67] или рефлекс зрачка на свет [64],[68],[69].

Аккуратная регуляция активности Rh1 в ответ на воздействие света необходима для поддержания целостности клеток PR [1],[2]. M* может быть превращен в свою неактивную форму после воздействия оранжевого света [52]. Кроме того, существенная часть активного Rh1 подвергается эндоцитозу и деградирует в лизосомах [70]-[72]. Мутации, которые устраняют деактивацию Rh1 [72]-[74] или нарушают эндолизосомную систему [71],[75],[76] могут вызывать дегенерацию PR , связанную с накоплением Rh1. Однако неизвестно, может ли Rh1 возвратиться из эндолизосомальных компартментов и может ли ослабление рециклинга Rh1 приводить к дегенерации PR.

Здесь мы показали, что потеря мушиного Vps26 или Vps35 вызывает дегенерацию PR с ранним началом. Мы показали, что субъединицы ретромера, экспрессируются в PRs у мух, а melanopsin экспрессируется ipRGCs в сетчатке мышей. У мух мутантные PRs содержат повышенные количества поздних эндосом и лизосом. Дегенеративные фенотипы PR зависят от экспозиции света и присутствия Rh1. Наши данные показали, что ретромеры мух подвергаются рециклингу Rh1, предупреждая удерживание Rh1 в телах клеток PR и защищая Rh1 от деградации в лизосомах, способствуя тем самым возврату Rh1 в рабдомеры. Итак, рециклинг Rh1 в ретромере, предупреждает перегрузку эндолизосомного пути и спасает существенную фракцию Rh1 от деградации у мух. Он может также играть сходную роль в ipRGCs в сетчатке позвоночных.