Добавление опсинов
|
|
The Rainbow Connection Kerry Grens  The Scientist. October 1, 2014 |
|
|
 | SEEING COLOR: Stylized image of the eye’s photoreceptors, the rods and cones, which respond to particular of wavelengths of light to give animals their sense of sight
Подобно большинству др. млекопитающих обезьяны, которые жили 30 - 60 миллионов лет назад имели только два гена opsin, кодрующие фотопигментные белки, кторые настаривали колбочковидные фоторецепторные клетки в сетчатке на абсорбцию света в пределах длины волны. Затем аллель одного гена опсина мутировал, продуцируя пигмнтный белок, который реагировал на ранее невидимую волну света. Позднее регион аллеля удвоился и был вставлен, создав третий ген опсина и закрепил передачу от ландшафта голубого и или красного или зеленого (нет определенности какой опсин возник первым) в богатом световом спектре, который люди и многие др. приматы видят сегодня.
Добавлеие третьего опсинового гена не просто внесло на 50% больше цвета; его эффект оказался мультипликативным. Если одиночный опсин предоставляет животному способность различать 100 оттенков, то добавление второго опсина, "поразительно умножило это в 100," говорит исследователь цветнго зрения Jay Neitz из University of Washington in Seattle. "Добавление третьего фотопигмента оказалось величайшим изобретением изо всех, поскольку оно уножило цветное зрение ещё в 100 раз."
Такое выраженное расширение нами зрительного ощущения действительно потребовало очень минорного генетического изменения. В 1991, Neitz, работая со своей женой Maureen и их postdoc advisor Jerry Jacobs из University of California, Santa Barbara, продемонстрировали, что только три аминокислотных замены несут ответственность за различие в 30 nm в пике абсорбции между современными красными и зелеными колбочками у человека, при этом каждое изменение сдвигало цветовой спектр фотопигментов на 5 -15 nm.1 "Это ошеломляюще," говорит Jacobs. "Изменение одного нуклеотида может изменить ваше цветное зрение." (See illustration below.) Всё же несмотря на эту простоту эволюционные обстоятельства, которые позволили нашим предкам приматов приспособиться к трихромии - системе из трех колбочек, которая дала людям и некоторым др. приматам способность видеть мир в полном спектре цветов - удисительно сложны.
Чтобы понять, как первые трихромичные обезьяны и их сходным образом экипированные производные отвечали на свое увеличение восприятия цвета, остается нерешенным вопросом. Но эксперименты Neitzes и др. на дихроматичных животных, таких как мыши или беличьи обезьяны с дополнительным опсином помогли восполнить историю эволюции цветного зрения людей. Результаты показали, что первые трихроматичные обезьяны могли оказаться способными реагировать непосредственно на свое новшество, более яркий мир, они стали различать зрелые фрукты среди зеленых бутонов; красных муравьев на зеленых листьях. Работа также может указать на путь в будущем, в котором ученые смогут лечить цветовую слепоту путем замещения неправильно функционирующих опсиновых генов и вообще, однажды, даже сверхзагруженное восприятие цвета человеком может приобрести новое многцветие.
A colorful duplication
1980. Jeremy Nathans, затем аспирант Stanford University, вернулся в университет после посещения скотобойни в San Jose. Вместе с ним ведро глазных яблок коров во льду. Глава его лаб., его консультант David Hogness, планировал использовать глазные яблоки вместе с новым революционным инструментом, наз. рекомбинантная ДНК, чтобы ответить на вопрос, который всал ещё декаду назад: Каковы молекулярные основы цветного зрения? "Было ясно мне, что способ решить эту проблему не в изучении свет-абсорбирующих белков, которые чрезвычайно редки, трудность работы с и перемешанными со значительно беолее многочисленными белками," говорт Nathans. "Эта проблема, которая могла быть решена с использованием непосредственно генов."
К тому времени были клонированы очень немногие гены человека, а метод рекомбинантной ДНК был сырым. "Мы прошли совсем немного ложных путей." В 1983 Nathans и Hogness опубликовали аминокислотную последовательность телячьего родопсина, а год спустя они опубликовали последовательность родопсина человека.2
Родопсин экспрессируеится клетками палочковидных фоторецепторов, он позволяет животным видеть тусклый свет. Чтобы понять цветное зрение, Nathans с коллегами исследовали три опсина, внедренных в клеточные мембраны трех разных колбочек, которые абсорбироали короткую (blue), среднюю (green) или длинную (red) длину волны света. К сачастью, несмотря на почти биллион лет дивергенции между ними, ген родопсина и гены описна колбочек обладали достаточной гомологией последовательностей для использования его в качестве зонда для выявления неизвестных генов.
Спустя ряд лет, используя свою собственную ДНК, Nathans с коллегами клонировали опсины колбочек. Дв из них, красный и зеленый, располагались на X хромосоме и имели 96% сходство в своей аминокислтной последовательности. Этот результат подтвердил идею, что родоначальный X-сцепленный ген opsin подвергся дупликации и что последующие мутации в копии сдвинули спектр абсорбции фотопигмента.3
Приблизительно в тоже самое время, когда Nathans клонировал ге человеческого опсина, Neitzes работали с беличьими обезьянами в лаб. Jacobs's Santa Barbara. Первоначально Jacobs установил, что эти обезьяны из Нового Света имеют отличающееся световое зрение по сравнению с приматами Старого Света и человеком. В частности, у беличьих обезьян цветовое зрение чрезвычайно полиморфное - некоторые самки различали значительно большие наборы оттенков, чем самцы или др. самки.
Углубившись в генетику этой необычной изменчивости Jay Neitz с колегами открыли, что поскольку беличьи обезьяны имеют только два гена опсина (один на хромосоме 7 один на X хромосоме), онии меют несколько аллелей опсина. Три аллеля, которые напоминают красные и зеленые опсины человека, представлены в одном и том же локусе на X хромосоме. Имея одну X хромосому, все самцы являются дихроматами, но поскольку самки несут две Х хромосомы, то они могут нести два разных аллеля для Х-сцепленного гена опсина, гарантируя таким гетерозиготам трихроматическое зрение.4
"Первой ступенью получения трихромии [у приматов] стало именно разнообразие, полиморфизм, в одном из генов [который] имели," говорит Neitz. Затем где-то в результате ряда генетических транслокаций, скорее всего, был выщепнут аллель опсина из Х хромосомы и помещен рядом с отличающимся аллелем опсина в др. X хромосому, приведя к тому, что животное стало иметь два гена опсина по соседству др. с др. как это имеет место сегодня у людей.
"Тот факт, что мы имеем те же самые немногие аминокислотные замены как и обезьяны Нового Света говорит о том, что имеется одиночная родоначальная вариация, которая дала [опсины колбочек] у приматов как Старого, так и Нового Света," говорит Nathans. "Это привело к интересному завихрению эвтолюционной догмы дупликации генов."
X marks the spot
|
In Living Color
|
SEEING COLOR: Stylized image of the eye’s photoreceptors, the rods and cones, which respond to particular of wavelengths of light to give animals their sense of sight
Human color vision is based on the different wavelengths of light absorbed by three cone opsin proteins, which are responsible for the spectral tuning of the cone cells in the retina. The red and green opsins, whose genes reside on the X chromosome, are thought to have evolved from an ancestral cone opsin gene that duplicated itself.
THE SCIENTIST STAFF
Three amino acid substitutions in the red opsin protein account for the spectral tuning of the green opsin. At position 180, swapping serine for alanine produces a 6 nm shift of the absorption spectrum; tyrosine to phenylalanine at position 277 provides a 9 nm shift; and changing a threonine to an alanine at position 285 confers another 15 nm shift in maximum absorption. Together these three changes produce the 30 nm gap between the maximum absorption of the red and green opsins.
 OPSIN PROTEIN ADAPTED FROM FIGURE COURTESY OF JAY NEITZ AND SCIENCE, 252:971–74, 1991.
| |
Превалирующей моделью того, как головной мозг различает цвета является то, что цвет, котрый определяется классом колбочек - как зеленый, красный или голубой - определяется каждой клеткой путем сравнения, как он и его соседи реагируют на разные длины волн. Напр., если красный цвет воздействует на глаз и одна колбочка активируется, тогда как соседняя кобочка остается молчащей, то головной мозг уясняет, что эти две относятся к разным классам колбочек. Но клетки колбочек пригодны только для различения цвета таким способом, если каждая клетка экспрессирует только только один тип опсина. Если индивидуальная колбочка имеет два разных опсина и реагирует на абсорбцию спектра каждым, то её возбуждение будет не очень информативным. Тогда как же действует клетка колбочки, которая несет организма полный геном и т. о. гены для всех трех опсинов, ограничивая экспрессию двух из них?
Исследователи всё ещё колеблютая, как ген голубого опсина, расположенный на аутосомной хромосоме, не экспрессируется совместно с любым из опсинов на Х хромосоме, но работа Nathans's дает четкие указания относительно механизма, который позволяет только одному из двух X-сцепленных опсинов экспрессироваться в данной клетке. Исследования людей, которые имеют только один функционаьный опсин, который абсорбирует короткую длину волны света и может т.о. различать только оттенки голубого, Nathans установил, что некоторые из этих так наз. blue-cone монохроматов имеют делецию примерно в 4000 пар оснований выше опсинов красного и зеленого на X хромосоме.5 "Он ведет себя подобно энхансеру," говорит Nathans, имея в виду короткую генетическую последовательность по соседству с промотором, которая помогает инициировать транскрипцию. Он позднее показал на трансгенных мышах, что эта последовательность энхансера необходима для экспрессии красного и зеленого опсинов и что он выбирает какой из них будет транскрибирован.6
Важно, что дупликация гена опсина на Х хромосоме не включила энхансер, в результате имеется единственный энхансер, ответственный за включение обоих генов. Но он действует только на один ген опсина в каждой данной клетке - скорее всего, выбирая случайным образом, что энхансер будет приводить к экспрессии красного опсина в одной колбочке и зеленого опсина в другой. Без этого механизма, колбочки должы были, скорее всего, экспрессировать чертовщину из зеленого и красного опсина и наше восприятие цвета было бы существенно иным.
Brain power
Действительно ли первые трихроматичные обезьяны на самом деле получили преимущества от экспрессии всех трех аллелей опсина - действительно ли они смогли увидеть кровь на листьях как разные цвета - несовсем ясно. И фактически главным затруднением в эволюционной биологии является, как животные обрабатывали новые сенсорные импульсы. Они должны были перестраивать нервную систему?
Исследователи замещали один средней длины волны аллель опсина на мышиной X хромосоме человеческим геном опсина длинной длины волны, чтобы создать трихроматичных мышей. Они затем тренировали мышей различать цвет в панели из трех, которые отличаются от остальных двух. Затем мыши были протестированы в отношеии своей способности выполнять эту цель среди ряда оттенков, включая те, что внутри спектра абсорбции нового опсина. Вновь полученные трихроматичые животные превосходно выполняли поставленные цели. В 2007, группа опубликовала данные, показавшие, что гетерозиготные самки мышей, которые несли ген длинной длины волны на Х хромосоме и ген средней длины волны на другой, плюс свой ген короткой длины волны на хромосоме 6, были способны различать дополнительные цвета по сравнению с животными с аллелем только со средней и короткой диной волны. Это подтверждает, что головной мозг животных осуществляет использование нового опсина.7 "Я полагают, что [пластичность] является прирожденным свойством сложной нервной системы, такой как у млекопитающих," говорит Nathans.
Спустя ряд лет Neitzes и его коллеги попытались подобное проделать с беличтими обезьянами, используя генную терапию с вирусным вектором, чтобы внести третий опсин кобочек полностю выросышим самцам. В этом случае, животные не были непосредственно способными различать цвета, но после 4-х мес. обезьяны обнаруживали заметное улучшение, обнаруживая ранее неотличаемые цвета в голубо-зеленных и красно-фиолетовых оттенаках.8 Задержка соответствовала времени мощной экспрессии трансгена, как если бы имеющийся новый зрительный пигмент встал в строй (all it took). "Удивительно, обезьяны, получившие вели себя подобно с полностью трихромичным зрением," говорит Jay Neitz, добавляя, что эффекты остаются стабильными в течение нескольких лет.
Оба исследования подтвердили возможость, что головной мозг приматов готов к восприятию новых стимулов, предоставляемых третим опсином - не требуется крупной престройки. Такая способность может отражать что наши дальние предки обладали восприятем даже больших цветов, чем мы имеем сегодня. "Если мы возвратимся назад к родоначальникам позвоночных, то они использовали 5 разных типов пигменты," говорит Shozo Yokoyama, который изучал опсины позвоночных в Emory University. Родоначальники млекопитающих, по-видимому, потеряли некоторые из генов опсинов в ходе эволюци онного пути, но их головной мозг сохранил способность интерпретировать активность дополнительных опсинов. (See "Animals' Diverse Palettes" at bottom.)
Но другие в этой области убеждены, что животные неспособны перерабатывать новые цвета, поскольку аппаратные средства сечатки на месте. Вскоре после исследований Nathans's на мышах, Walter Makous из University of Rochester коментировл в Science, что мыши не могут различать цвета своими новыми опсинами. Скорее всего, они могут определять пятнистость в цвете, возникающую в результате того, что у человека и мышей колбочки отвечают по-разному на одни и те же стимулы, так как если бы они обнаруживали различную яркость одного и того же цвета.9 Возможно поэтому настоящее цветное зрение не объясняет улучшение способности мышей. Вместо этого головной мозг "д. различать изменения в цвете как существенные изменения в текстуре," заявляет David Brainard, исследователь зрения из University of Pennsylvania. "Or it could be the brain is primed to figure this out and gives you color vision. I don't think we know."
Недавние исследования по моделированию группы Brainard's подтвердили последний сценарий, по крайней мере, для приматов. Исследовательская группа использовала компьютерное обучение, чтобы стимулировать цветовое зрение людей, и установила, что конфигурация сетчатки человека - её в частности мозаичный тип колбочек, соотношение колбочек с длинной и средней длиной волны и различия в максимумах их спектра абсорбции - делали возможным подобное обучение.10 Эти переменные предоставляли головному мозгу достаточно информации, чтобы определять классы (красного, зеленого или голубого) каждой из колбочек, базируясь на длинах волн, на которые реагирует каждая из клеток.
"Возможно, что система переработки информации, чтобы наблюдать сигнал от колбочек и успешно наделять меткой каждый класс колбочек, является чрезвычайно аккуратной," говорит Brainard. Происходит ли это в случае, когда впервые возникает трёхцветность у приматов, неизвестно, но стимуляции Brainard's демонстрируют, что современная сетчатка человека может использовать три опсина. Принимая во внимание сходства сетчатки у приматов, вообще-то первые обезьяны с трехцветным зрением могут делать то же самое.
Colors with benefits
Безотносительно от того, были ли способны воспринимать дополнительный цвет приматы, преимущества от получения трехцветности быстро распространились среди популяции, , как полагают, исследователи. Считается, что обезьяны стали способны лучше различать меэжду зрелыми и незрелыми фруктами, напр., и красноватые пятнышка на молодых листьях среди менее богатых белками старых листьев, что позволяло им добывать продовольствие более эффективно и улучшить питательные качества их пищи. Но доказать такие преимущества довольно трудно. 11
Проникая глубже в данные Melin уловил едва различимый эффект. "Мы обнаружили различия в аккуратности," говорит она. "С трехцветным зрением делали меньше ошибок, но искали пропитание в более спокойном темпе." С двухцветным зрением, с др. стороны, выглядели более неистовыми, касались, обнюхивали и кусали больше фруктов, включая незрелые или несъедобные фрукты.12 Вопрос Melin теперь получил ответ, действительно ли неряшливое поведение по поиску пищи оказывает какое-либо питательное воздействие на животных.
Для людей, конечно, важность трехцветного зрения неизмерима и Neitz надеется, что генная терапия, которую он использовал на обезьянах сможет быть преобразована для терапии пациентов со цветовой слепотой. Если это окажется успешным, то это усилит не только цветовую остроту в жизни тех, чьи цветовые ощущения ограничеы, оно позволит исследователям изучить, как скачет восприятие у человека при переходе от двухцветности к трехцветности.
Будет ли на этом остановка? Neitz полагает, что, по-видимому, окажется возможным расширить пределы обычного зрения у человека. Этим летом он использовал генную терапию на двух обезьянах с 4 колбочковыми опсинами, таким какие имеют птицы. Их пики абсорбции располагаются между описнами с короткий и средней длиной волны, где-нибудь между фиолетовым и зеленым. Вскорости мы узанем придало ли добавление гена дополнительную чувствительность на конце радуги, если это работает, то обезьяны должны вскорости оказаться способными видеть в 100 раз более цветов. Соблазнительно думать, как такая терапия могла бы обогатить зрение человека.
"Sometimes when I'm driving around I ask myself if the IRB [institutional review board] would let me do that to myself," says Neitz. Why not try it out, he muses, to see if he can "cure" himself of trichromacy? Indeed, whether it happens by the hand of evolution or by human intervention, perhaps the story of human color vision's progression is not over, Neitz says. "It's a brave new world."
ANIMALS' DIVERSE PALETTES |
See full infographic:
Most mammals, such as dogs, express just two types of opsins in the distal ends of their eyes' cone cells, which are responsible for color vision. Humans and some primates have three. Other animals, including birds, fish, and insects, have even more opsins, although insects don't have cones, but instead use other types of cells to detect color. Such diversity yields whole new worlds of color, with each opsin adding an order of magnitude more hues. Reconstructing the evolution of opsin genes, Shozo Yokoyama of Emory University and his colleagues have found that substitutions at only a couple dozen amino acid sites in opsin proteins account for this diversity of spectral tuning found among vertebrates.