СЕНСОРНЫЕ СИСТЕМЫ, 2009, том 23, № 2, с. 91-105
ЗРИТЕЛЬНАЯ ^^^^^^^^^^^^^^^^ СИСТЕМА
УДК 597.6;598.2;612.84
ФОТОРЕЦЕПТОРЫ ПТИЦ: МОЛЕКУЛЯРНАЯ ГЕНЕТИКА ЗРИТЕЛЬНЫХ ПИГМЕНТОВ, СТРУКТУРНЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ КЛЕТОК И ИХ ТОПОГРАФИЯ
© 2009 г. Т. В. Хохлова
Институт проблем передачи информации им. A.A. Харкевича РАН 127994, ГСП-4, Москва, Большой Каретный пер., 19 E-mail: hohlova@iitp.ru Поступила в редакцию 07.08.2008 г.
В обзоре представлены новейшие достижения в области молекулярной генетики зрительных пигментов птиц, последовательности их экспрессии в развивающейся сетчатке, особенности морфологии фоторецепторов и их распределение в глазу. Обнаружены пять генов зрительных пигментов птиц: RH1, RH2, SWS 1, SWS2, LWS, на основе которых синтезируются белки соответственно родопсин, зелено-, ультрафиолетово-/фиолетово-, сине- и красночувствительный. У млекопитающих отсутствуют гены зрительных пигментов RH2 и SWS2. RH1 экспрессируется в палочках птиц, а родственный ему RH2 - в колбочках, и функционирует как отсутствующий у птиц MWS. Приведены данные по аминокислотным заменам, влияющие на спектр поглощения всех пяти белков. В развивающейся сетчатке красный и зеленый опсины появляются первыми, затем синий, ультрафиолетовый/фиолетовый, а последним родопсин. Сетчатка птиц содержит палочки, двойные колбочки и четыре типа одиночных колбочек. Окрашенные и неокрашенные липидные капли расположены почти в каждой колбочке, в области эллипсоида, а появляются они в колбочках во время дискогенеза или немного позже. Каждый спектральный тип колбочки содержит свою каплю: C, T, Y, R, P, реже A. Обсуждается гипотетическая роль липидных капель в зрении птиц по представлениям разных авторов.
Ключевые слова: сетчатка птиц, фоторецепторы, зрительные пигменты.
ВВЕДЕНИЕ
Мир птиц преимущественно визуален. Обитание в воздушной среде, полет на большие расстояния, широкий обзор горизонта при увеличении высоты, высокая маневренность - все это способствовало максимальному развитию зрения в этом классе животных. Формированию детального изображения при высокой остроте способствуют крупные глаза, совершенная аккомодация хрусталика с помощью системы поперечнополосатых цилиарных мышц, возможность дополнительно изменять кривизну роговицы, васкуляри-зованный гребешок внутри глаза, сложно устроенная сетчатка с одной и даже двумя фове-альными ямками (Walls, 1942; Duke-Elder, 1958; Карташев, 1974; Crescitelly et al., 1977; Ott, 2006; Рожкова и др., 2005).
До восьмидесятых годов прошлого столетия изучение зрения птиц развивалось по пути накопления материала по строению сетчатки и микро-спектрофотометрии наружных сегментов фоторецепторов у отдельных видов. Важный вклад внесли Боумейкер с коллегами, изучив спектры поглощения зрительных пигментов фоторецепторов у большого числа видов птиц (Bowmaker,
1977; Bowmaker, Knowles, 1977; Bowmaker, Martin, 1978; Young, Martin, 1984; Bowmaker, Martin, 1985; Bowmaker et al., 1993; Bowmaker et al., 1997). В нашей стране фоторецепторы и зрительные пигменты сетчатки птиц успешно изучала группа В.И. Говардовского (Govardovskii, Zueva, 1977; Зуева, 1982; Говардовский, 1983; Govardovskii, 1983; Говардовский, Воробьев, 1989).
Фоторецепторы сетчатки являются основными элементами зрения, набор их зрительных пигментов определяет, какой спектральный диапазон будет воспринят организмом. В дальнейшем зрительная система животного обрабатывает и преобразует сигналы, поступившие от разных типов фоторецепторов, и этот процесс начинается уже в последующих звеньях цепи нейронов сетчатки.
С 1986 г. стало возможным проведение анализа генов, отвечающих за синтез белков зрительных пигментов, и клонирование этих генов. Такой анализ позволил, удачно сочетая уже накопленные к этому времени данные по микроспектрофотометрии и морфологии фоторецепторов и сетчатки, вывести изучение зрения животных на новый уровень. Использование метода рекомбинации ДНК, введение в клетки экс-
прессионного вектора (вирус или илазмида) и применение моноклональных антител к колбочкам (COS-1, OS-2) и палочкам (Rho-4D2), дали возможность выделения соответствующих генов зрительных пигментов в достаточном количестве, очистку и дальнейшую реконструкцию зрительных пигментов дикого типа (Yokoyama, 2002). Были выделены ортологичные (гомологичные, эволюционирующие самостоятельно) и паралогичные (возникшие дупликацией) гены белков зрительных пигментов и проведена их дальнейшая классификация. Инкубирование с ре-тиналем клеточной культуры фоторецепторов, несущих белки зрительных пигментов, созданных de novo, а затем очистка и измерение спектра поглощения при помощи микроспектрофотометрии у вновь синтезированных зрительных пигментов в этих клетках (Yokoyama, 2002) создали возможность в настоящее время существенного прорыва в изучении зрения животных вообще, и у птиц в частности. Кроме того, использование этих методов позволило после направленного мутагенеза проверять эффект полученных мутаций. По высказыванию Шозо Иокоямы, "исследование молекулярной базы зрительных пигментов фоторецепторов сетчатки дает уникальную возможность изучения адаптивной эволюции у животных и экспериментальной проверки эволюционной гипотезы" (Yokoyama, 2002).
В данном обзоре сделана попытка дать развернутое представление о новейших достижениях в изучении фоторецепторов птиц.
Молекулярные основы генетики зрительных пигментов птиц
Кванты света, прошедшие сквозь глазные среды - роговицу, водянистую влагу передней камеры глаза, хрусталик и стекловидное тело, попадают на сетчатку. Свет сначала проходит сквозь все слои сетчатки и в последнюю очередь достигает фоторецепторов - сначала внутреннего, а затем и наружного его сегмента. Глазные среды птиц прозрачны для лучей спектра от 300 до 750 нм (Hart et al., 1998; Hart, 2002; 2004). В сетчатке этих животных расположены палочки и несколько типов колбочек. В апикальной части внутреннего сегмента большинства колбочек птиц расположена маленькая сферическая фильтрующая свет структура - липидная (синонимы: жировая или масляная) капля, в общем случае ярко окрашенная. Кванты света сначала проходят через эту каплю, а затем попадают на наружный сегмент. Наружный сегмент фоторецепторов содержит стопку плоских мембранных дисков, а молекулы зрительного пигмента встроены в эти диски.
Родопсин и подобные ему белки - опсины зрительных пигментов фоторецепторов относятся к большому надсемейству GPCR (G-protein-coupled
receptors) (Scheerer et al., 2008), т.е. это молекулярные рецепторы, передающие сигнал через G-белки. Они 7 раз пронизывают плазматическую мембрану диска наружного сегмента и состоят из эктодомена, трансмембранного домена и цитоплазматического домена (Фаллер, Шилдс, 2003). На рис. 1 показан опсин ультрафиолетового зрительного пигмента волнистого попугайчика Melopsittacus undulatus (Wilkie et al.,1998).
Зрительный пигмент состоит из двух частей: хромофор ретиналь (или дегидроретиналь) и белок опсин. Их связь осуществляется через лизи-новый остаток в сайте 296 полипептидной цепи, внутри трансмембранного домена. Именно ретиналь изменяет свою конфигурацию под действием света, что влечет за собой и изменение опсина. От состава аминокислотных последовательностей, входящих в состав белка, их взаимного расположения, присутствия полярных групп, влияющих на вторичную и третичную структуру полипептида, зависит, каков будет спектр поглощения всей этой сложной молекулы. Кривая спектральной чувствительности, иллюстрирующей поглощение света в наружном сегменте фоторецептора, с характерным для данного зрительного пигмента положением максимума (Xmax), является важнейшей его функциональной характеристикой. В.И. Говардовским с соавторами были предложены уравнения кривых спектральной чувствительности зрительных пигментов на основе ретиналя и дегидроретиналя (Govardovskii et al., 2000), которые используются в настоящее время (Hart, 2004). Набор кривых спектральной чувствительности фоторецепторов в данной сетчатке дает нам общее представление о возможностях зрения данной особи и вида животного. У низших позвоночных возможна замена и самого ретиналя в процессе развития личинки или смены среды обитания, и эти изменения также приходится учитывать. При замене ретиналя на дегидроретиналь происходит сдвиг поглощения в длинноволновую область, поскольку ^max пигментов на основе ретиналя находится в диапазоне 360-570 нм, а дегидроретиналя 360-635 нм. У птиц и млекопитающих в отличие от многих других позвоночных используется только ретиналь. Поэтому спектральные характеристики сложной молекулы зрительного пигмента определяются у этих животных только особенностями опсина (аминокислотным составом). Таким образом, главными факторами разнообразия потенциальных возможностей зрения птиц на уровне фоторецепторов являются, во-первых, особенности белка опсина, а во-вторых, цветные липидные капли во внутреннем сегменте фоторецептора, поскольку свет сначала проходит через них и только потом попадает на диски (рис. 2). У млекопитающих цветные капли в фоторецепторах отсутствуют.
Рис. 1. Двумерный рисунок ультрафиолетово-чувствительного опсина волнистого попугайчика Melopsittacus ыпЛыШыя (по Wilkie et э1., 1998 с изменениями).
Римскими цифрами (I—VII) обозначены семь трансмембранных петель опсина. К291 (лизин, место связи с ретиналем) обозначен черным и расположен в VII петле. В кружках - обозначение аминокислот (показаны не все), с Оконца, расположенного внизу, начинается нумерация полипептида. Серый прямоугольник - фрагмент мембраны диска UWS колбочки.
С момента успешного развития молекулярно-генетических методов исследований было проведено изучение генов, а затем установление аминокислотных последовательностей и реконструкция соответствующих белков для каждого зрительного пигмента. Это дало возможность сопоставления полипептидных последовательностей зрительных пигментов у разных видов и обнаружение участков (сайтов) несущих наиболее значимые для Àmax аминокислотные замены.
Зрительные пигменты позвоночных животных делят на пять основных паралогичных групп (Yokoyama et al., 2000; Yoko
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.