Experiment v ELI přinesl nový pohled na fungování lidského zraku

Sítnice lidského oka obsahuje šest až sedm milionů čípkových buněk. Právě v nich se nacházejí světlocitlivé proteiny známé jako čípkové opsiny, které nám umožňují vnímat okolní svět za denního světla v detailech. Díky nim vidíme tisíce barev – červené jahody, zelené listy nebo modrou oblohu. Pomáhají nám také ostře rozeznávat předměty kolem sebe a sledovat rychlé pohyby, například projíždějící vlak nebo let vážky.

Tyto drobné světlocitlivé receptorové proteiny v sítnici však mohou hrát roli i u řady očních onemocnění. Poruchy funkce čípkových receptorů způsobené genetickými mutacemi nebo degenerativními procesy mohou vést například k barvosleposti nebo věkem podmíněné makulární degeneraci, která postihuje centrální část sítnice a způsobuje postupnou ztrátu zraku.

V nové studii se výzkumníkům vedeným Polinou Isaikinou z Paul Scherrer Institute podařilo poprvé určit trojrozměrnou strukturu lidských čípkových opsinů v jejich temnostním stavu, tedy předtím, než jsou aktivovány světlem. Výsledky ukazují, jak jejich molekulární architektura umožňuje mimořádně rychlou aktivaci světlem. Studie vznikla ve spolupráci vědců z PSI, Extreme Light Infrastructure v České republice a Tokijské univerzity v Japonsku a byla publikována jako titulní článek v časopise Science.

Neklidní společníci denního vidění

Čípkové opsiny jsou fotoreceptorové proteiny nacházející se v čípkových buňkách, které jsou hustě soustředěny ve žluté skvrně, konkrétně v oblasti fovea centralis. Tato část lidské sítnice odpovídá za ostré vidění. V každém oku máme šest až sedm milionů čípků. Jejich receptorové proteiny se aktivují světlem a spouštějí signální kaskádu, která nakonec vede ke vzniku elektrických signálů zpracovávaných mozkem.

Protože tento proces probíhá mimořádně rychle, umožňují nám čípkové opsiny sledovat i rychle se pohybující objekty. Fungují však především ve dne, kdy je dostatek světla. Za šera a v noci tuto úlohu přebírají jejich evolučně mladší příbuzní – tyčinkové opsiny v tyčinkových buňkách.

Lidské barevné vidění zajišťují tři typy čípkových opsinů, z nichž každý je citlivý na jinou část viditelného spektra. Čípky typu L jsou nejcitlivější na červené světlo, čípky typu M na zelené světlo a čípky typu S na modré světlo. Přestože máme pouze tři typy čípků, nevidíme svět jen ve třech barvách. Barevné vnímání vzniká souhrou jejich překrývajících se spektrálních citlivostí.

Určit 3D architekturu čípkových opsinů před jejich aktivací světlem a objasnit, proč reagují tak rychle, bylo dosud velmi obtížné. Tyto receptory jsou vysoce dynamické a mohou se spontánně aktivovat i ve tmě, což mimořádně komplikuje jejich izolaci v jediném přesně definovaném stavu.

Aby se výzkumníci vyhnuli nechtěné aktivaci, pracovali v laboratoři výhradně při velmi tlumeném červeném světle o vlnových délkách, které leží daleko mimo oblast citlivosti čípkových opsinů.

„Abychom mohli určit trojrozměrnou strukturu těchto receptorů v jejich temnostním stavu a porozumět jejich rychlé aktivaci, museli jsme překonat zásadní technické překážky,“ říká Polina Isaikina. „Museli jsme zkombinovat několik pokročilých metod, včetně kryoelektronové mikroskopie, ultrarychlé laserové spektroskopie, biochemických a buněčných testů i výpočetních nástrojů, které nám umožnily tyto receptory navrhnout a optimalizovat pro detailní studium.“

Klíčová část ultrarychlé spektroskopie proběhla v centru ELI. Vědci zde využili měření tranzientní absorpce na sestavě FSRS/TA. Díky nim mohl tým sledovat světlem vyvolanou dynamiku lidských čípkových opsinů v reálném čase a zachytit krátce existující molekulární meziprodukty v časových škálách od femtosekund po mikrosekundy. Výsledky pomohly propojit strukturální informace s dynamickými molekulárními procesy, které nastávají bezprostředně po absorpci světla.

Úsilí přineslo výsledky. Výzkumný tým nyní představil dosud nerozlišené struktury lidských čípkových opsinů, zejména variant citlivých na modré a zelené světlo, v jejich neaktivním stavu za tmy. Červený čípkový opsin sice přímo zkoumán nebyl, jeho blízká genetická podobnost se zeleným čípkovým opsinem však naznačuje, že se u něj pravděpodobně uplatňují obdobné molekulární principy.

Prostor pro pohyb molekuly

Pro pochopení toho, proč čípkové opsiny dokážou převést světelné pulzy na elektrické signály tak rychle, je důležité podívat se na jejich strukturu.

„V centru každého čípkového opsinu se nachází takzvaný retinal, světlocitlivá molekula odvozená od vitaminu A,“ vysvětluje Sarah L. Schmidt, doktorandka a první autorka studie.

Když světlo dopadne do oka, předá retinalu energii a způsobí změnu jeho tvaru. Tím se spustí aktivace fotoreceptoru a vznik elektrického signálu, který putuje do mozku, kde se zpracovávají vizuální informace.

„Naše nová strukturální a funkční data ukazují, že čípkové opsiny jsou optimalizovány pro rychlý přenos signálu,“ říká Schmidt. Jejich molekulární struktura obsahuje síť vnitřních „mikrospínačů“, které jim umožňují napojit se na nitrobuněčného signálního partnera, G protein transducin. Protože tato interakce probíhá už v klidovém stavu, může po absorpci světla následovat mimořádně rychlý přenos signálu. Tato molekulární připravenost pomáhá vysvětlit, jak čípkové opsiny naplňují nároky denního vidění.

Dalším faktorem, který přispívá k rychlosti čípkových opsinů, je uspořádání vazebného místa pro retinal. Například u zeleného čípkového opsinu je tato vazebná kapsa při vstupu a výstupu relativně otevřená. Retinal se tak může po světelném pulzu rychle uvolnit a připravit receptor na další pulz. Takto rychlá obměna podporuje rychlou aktualizaci vizuálních informací v mozku.

Výzkumníci z PSI objevili ještě jeden důležitý rozdíl. Vazebné místo retinalu u modrého opsinu je těsnější a má jakési „zavřené dveře“, které účinně omezují pohyb retinalu. Ke změně tvaru retinalového ligandu je proto potřeba světelný podnět s vyšší energií. Modré světlo přirozeně nese více energie než zelené nebo červené, a je tedy pro spuštění této změny vhodné. Naproti tomu retinal v opsinu citlivém na zelené světlo se může pohybovat mnohem volněji, což receptoru umožňuje reagovat na méně energetické zelené světlo, a dokonce se spontánně aktivovat i bez přítomnosti světla.

Čípkové opsiny jako možný terapeutický cíl

Výsledky studie mohou nabídnout nový molekulární rámec pro pochopení očních onemocnění spojených se ztrátou nebo poruchou funkce fotoreceptorů v čípkových buňkách. Různými typy poruch zraku trpí po celém světě stovky milionů lidí. Například poruchy barvocitu se týkají přibližně pěti procent světové populace, převážně mužů. Závažnější věkem podmíněná makulární degenerace může vést ke ztrátě centrálního vidění a v pokročilých případech až ke slepotě.

„Naše nové poznatky přinášejí detailní molekulární a strukturální vhled do toho, jak čípkové opsiny plní své funkce,“ říká Polina Isaikina. „Podrobné strukturální porozumění těmto mechanismům nám pomáhá určit, kde u těchto onemocnění dochází k poruše a kde by mohly být možné cílené terapie.“

Z dlouhodobého hlediska vědci doufají, že jejich výsledky podpoří vývoj léčiv zaměřených přímo na čípkové opsiny s cílem stabilizovat jejich funkci a zpomalit ztrátu zraku. Nové poznatky zároveň otevírají možnosti pro vývoj přesnějších optogenetických terapií, při nichž jsou světlocitlivé proteiny upravovány tak, aby obnovily nebo modulovaly buněčnou signalizaci.

„Experimenty, jako je tento, ukazují, že ELI může podporovat špičkový výzkum daleko za hranicemi tradiční laserové fyziky,“ říká Jakob Andreasson, vedoucí oddělení strukturní dynamiky v ELI. „Otázky z oblasti věd o živé přírodě stále častěji vyžadují přístup k přístrojům, které dokážou zachytit biologické procesy v jejich přirozené rychlosti a složitosti. ELI tuto schopnost uživatelské komunitě nabízí kombinací pokročilé laserové technologie a experimentálních platforem navržených pro náročné molekulární studie. Výzkumníkům tak umožňuje zkoumat nejen to, jak biologické systémy vypadají, ale také jak fungují v reálném čase.“

Zdroj: ELI Beamlines