«Rh7 — это первый пример родопсина, который важен для установления циркадных ритмов, поскольку он экспрессируется в центральном мозге, а не в глазу», — сказал Крейг Монтелл, доктор философии, профессор Даггана молекулярной, клеточной биологии и биологии развития в Институте биологии и развития. Калифорнийский университет Санта-Барбары и старший автор исследования. Эта недавно обнаруженная роль Rh7 может иметь клинические последствия в будущем. «Определение новых ролей светочувствительных опсинов имеет важное значение для понимания дегенеративных заболеваний сетчатки и разработки потенциальных новых методов лечения», — сказала Лиза Нойхолд, доктор философии, программный директор Национального института глаз.Родопсины, открытые в 1870-х годах, хорошо известны своей важной ролью в светочувствительности и формировании изображений.
Шесть ранее известных родопсинов мух отвечают за полную функцию фоторецепторных клеток в глазах мух, поэтому, хотя геном плодовой мухи содержал последовательность седьмого родопсина, роль Rh7 была неясной.Чтобы исследовать роль Rh7, Монтелл и его сотрудники из Калифорнийского университета в Ирвине впервые подтвердили, что Rh7 воспринимает свет, выполнив генетические эксперименты, которые заменили Rh1, первичный датчик света в фоторецепторных клетках мухи глаза, на Rh7. Исследователи обнаружили, что Rh7 может функционально заменять Rh1 у мух, у которых отсутствует Rh1, как было измерено с помощью электроретинограммы, которая представляет собой внеклеточную запись нервного сигнала в глазе мухи в ответ на свет.
Затем исследователи использовали антитела, распознающие Rh7, чтобы определить характер его экспрессии. Они обнаружили, что он выражается в нейронах центрального водителя ритма мозга, которые играют роль в регулировании циркадных ритмов.
Монтелл и его команда вырастили плодовых мух при 12-часовом цикле свет / 12-часовая темнота, затем увеличили один световой цикл до 20 часов и измерили, как быстро мухи корректируют свою дневную активность, чтобы соответствовать новому циклу свет / темнота. Измеряя, как часто мухи пересекают инфракрасный луч, расположенный в центре флакона, исследователи могли отслеживать повседневную активность. Они показали, что мухам, у которых отсутствует Rh7, требовалось значительно больше времени для адаптации, чем у обычных мух дикого типа.
Исследователи также изучили влияние световых импульсов посреди ночи, которые нарушают нормальный циркадный цикл, и снова обнаружили, что корректировка занимает больше времени у мух, у которых отсутствует Rh7.Уже было известно, что нейроны центрального пейсмекера имеют датчик света, называемый криптохромом, но способность мух, которые были генетически сконструированы без криптохрома, регулировать циклы свет / темнота ограничена лишь частично. Итак, исследователи подозревали, что может быть задействована другая молекула — и это оказалась Rh7, которая более светочувствительна, чем криптохром. «Похоже, что Rh7 обеспечивает более чувствительный способ обнаружения света и установки циркадных ритмов», — пояснил Монтелл.
Однако необходимы дополнительные исследования. Датчик света в мозге плодовой мушки имеет смысл, потому что свет может проходить через кутикулу, покрывающую голову.
Но что могут делать опсины в мозге млекопитающих, где свет не может эффективно проникать в череп?Монтелл предположил, что нейроны центрального водителя ритма мух могут соответствовать типу клеток в глазу млекопитающих, а не клеткам в мозгу млекопитающих.
В глазу ганглиозные клетки сетчатки (RGC) передают сигналы от светочувствительных палочек и колбочек в мозг через зрительный нерв. Но около 1 процента RGC по своей природе светочувствительны (ipRGC). Эти ipRGC, которые содержат меланопсин (другой тип светочувствительного пигмента), не играют роли в формировании изображения, но важны для регуляции циркадных ритмов. Из-за их сходной функции и сходных молекулярных характеристик, Монтелл считает, что нейроны центрального водителя ритма мух, экспрессирующие Rh7, являются эквивалентом ipRGCs млекопитающих.
Однако остается загадкой, почему опсины также экспрессируются в головном и спинном мозге млекопитающих, где они могут не получать достаточно света для активации светом.Работа поддержана грантами Национального института глазных болезней (EY008117), Национального института глухоты и других коммуникативных расстройств (DC007864) и Национального института общих медицинских наук (GM102965 и GM107405).