Почему что китовым акулам хорошо, то людям — куриная слепота, из-за чего в глазах рыб палочки начинают работать вместо колбочек, а колбочки — выглядеть как палочки, что позволяет четырехглазкам видеть хорошо и над, и под водой, как устроены двойные колбочки и «палочкоколбочки», а также что вся эта информация может дать человечеству, простите за каламбур, в перспективе (кроме обширной эрудиции и панических атак перед экзаменами по физиологии) — читайте в нашем материале.
«Удочки» для ловли света
Хорошо видеть под водой — непростая задача. Вода по-другому преломляет свет и искажает изображение, она может быть мутной. На глубины солнечные лучи проникают слабо, а куда-то не проходят вообще. В этих условиях рыбы выживали как могли и пользовались всем, что им подкинет эволюция. Из-за дупликации (удвоения) генов, которые кодируют реагирующие на свет белки под названием опсины, многим организмам удавалось разграничить их обязанности по разным частям спектра. Рыбы этой возможности тоже не упустили.
Изучив гены опсинов у 101 вида рыб, биоинформатики обнаружили, что у глубоководных обитателей появилось множество видов палочек — светочувствительных сенсорных нейронов сетчатки, которые у нас вообще-то вполне однообразные, так как определяют яркость света, а не цвет (то есть длину волны). У рыбы диретмы Diretmus argenteus ученые обнаружили целых 38 разновидностей генов опсинов для палочек (по-английски rods, что означает «прутики» или «удочки», отсюда и название фоторецепторов — родопсины) и две — колбочек (которые из-за формы называют cones – «конусы» или «шишки»).
Правда, часть этих генов не работает, и производят белок предположительно только 14, а у мальков — и вовсе семь, поскольку детство и юность рыба проводит на меньших глубинах. Но среди этих 14 белков оказались самые чувствительные к синей части спектра из известных науке. Поскольку все остальные оттенки на глубине поглощаются, это помогает диретме своими «удочками» (не путать с глубоководными удильщиками) ловить не только редкие рассеянные лучи солнца, но и биолюминесценцию!
Двойные колбочки и «гибридные» модели
Людям различать оттенки помогают не палочки, а колбочки — вот их у большинства из нас три типа, и каждый лучше приспособлен к своей части спектра (с некоторым перекрытием). А палочки у человека отвечают за зрение в сумерках и ночью, так как они чувствительны к слабому освещению. Поэтому удивительно, что, несмотря на потерю разных видов колбочек, которые в эволюции на глубине не сохранились за ненадобностью, рыбы все равно умудряются различать цвета.
Еще одна особенность зрения большинства рыб — двойные колбочки. Но непривычны они только для человека — зато распространены и у птиц, и у рептилий, и у однопроходных. В основном, среди позвоночных как раз плацентарные млекопитающие утратили их в процессе эволюции. Двойные колбочки — это «союз» двух колбочек, которые соединены оптически или электрическим сигналом. Исследования сетчатки расписного спинорога Rhinecanthus aculeatus показали, что двойные колбочки по крайней мере у этой рыбы могут передавать информацию о цветах независимо.
Ты на суше, я на море
На этом причуды рыбьего зрения не заканчиваются. Так, мавролики Maurolicus muelleri могут похвастаться гибридными «палочкоколбочками». На первый взгляд, в их сетчатке есть только палочки, однако активны эти рыбы почему-то на рассвете и на закате, при умеренном освещении, а не в темноте, что с такими фоторецепторами было бы логичнее. Оказалось, что в сетчатке Maurolicus muelleri почти все сенсорные нейроны — на самом деле колбочки, которые похожи на палочки, но имеют «колбочковые» опсины и «колбочковый» каскад передачи сигнала. Эти фоторецепторы смежного типа настроены на синюю часть спектра, что позволяет им относительно хорошо видеть при умеренном свете, не тратя ресурсы на множество разновидностей сенсорных клеток, а также копирование генов многочисленных опсинов и производство с них белков.
А что делать, если вам нужно контролировать ситуацию над и под водой, и желательно одновременно? Признак мог бы пригодиться, к примеру, многим пресноводным рыбам, чтобы следить за насекомыми, но при этом не стать добычей рыскающих в толще воды хищников. Здесь самую оригинальную карту эволюция, пожалуй, раздала четырехглазке Anableps anableps, каждый глаз (которых, вопреки названию, все же два) которой разделен горизонтальной перегородкой. Для защиты от яркого света верхняя половина защищена специальной полосой радужной оболочки, а хрусталик (линза, которая помогает фокусировать изображение на сетчатку) там приплюснутый. В нижней части хрусталик более выпуклый, чтобы компенсировать рассеяние и преломление света под водой.
Исследовав сетчатку четырехглазки под световым и электронным микроскопом, ученые нашли у нее палочки, одиночные и двойные колбочки. Однако в их строении тоже есть особенности. Так, в паре двойных колбочек внешние сегменты могут отличаться друг от друга. Внутренний сегмент колбочек у четырехглазки имеет необычные волны и гребни, а дальше него располагается масляная капелька, которая образовалась из митохондрии. А на палочках есть ямки, формой напоминающие дверные ручки. Кроме того, в разных частях глаза у рыб различается толщина и кривизна сетчатки. Вся эта система помогает рыбе воспринимать обе картины без искажения.
«Куриная слепота» помогает видеть китовым акулам
В новой работе, результаты которого опубликовали в апреле этого года, в центре внимания оказались китовые акулы Rhincodon typus. Эти огромные и медлительные, но скрытные и таинственные рыбы умеют нырять на двухкилометровую глубину, и никто до конца не понимает, зачем им это нужно. Чтобы ориентироваться на большой глубине, в палочках сетчатки китовых акул есть родопсин со смещением в синюю часть спектра, что, как мы уже поняли, часто встречается у глубоководных рыб, в том числе у кошачьих акул. Но кошачьи акулы хотя бы питаются на глубине, а чем заняты в тени их родственники, чья пища там не водится, остается под вопросом (возможно, спариванием, но это не точно). Ученые сравнили глаза и гены китовых акул с глазами и генами их близких родственников, акул-зебр, живущих на мелководье у коралловых рифов.
В результате у китовых акул обнаружилась мутация «палочкового» опсина в сайте 94 — замена позиции на аланин. У людей похожая замена, когда в том же сайте вместо аминокислоты треонина в структуре белка оказывается изолейцин (сокращенное название — T94I), часто встречается в популяции ирландцев и приводит к «куриной слепоте» — проблемам со зрением в сумерках и в темноте. Из-за нее родопсин становится термически нестабильным, и палочки, как камера с маленьким значением ISO, не могут подавлять «шум» и «зерно». Кроме того, у китовых акул есть замены и 178-й аминокислоты.
В эксперименте при 37 °C стабильность родопсина китовых акул выше, чем у людей с мутацией T94I. А вот в глубоком синем море родопсин функционирует лучше, так как там обычно холоднее. Получается, что изменение родопсина вслед за температурой позволяет акулам подстраивать глаз под большие глубины. Благодаря этому у китовых акул автоматически «включается» синее смещение спектра, а когда эти рыбы всплывают на теплое мелководье, их глаза возвращаются в обычный режим. Это поддерживает гипотезу, что те же мутации родопсина у Notothenia coriiceps и некоторых других антарктических рыб позволяют им лучше видеть синюю часть спектра в глубоких холодных водах. Ученые также хотели бы узнать, как обстоят дела со стабильностью опсинов в колбочках, ведь они могли бы помогать китовым акулам при более ярком свете.
Посмотреть будущему в глаза
Интересно представить, как можно использовать эти выводы для людей. Воображение рисует фантастические картины будущего, где можно специально подстраивать свой родопсин, например, под полярную ночь, когда и темно, и холодно. Или адаптировать зрение при погружении под воду. Но и без фантастических допущений новые знания про синее смещение и дестабилизацию родопсина могут стать шагом к поиску лечения для людей, у которых мутация T94I вызывает нарушения сумеречного зрения.
Наука уже может похвастаться первыми успехами в редактировании мутаций в клетках сетчатки. Так, подход с искусственно обезвреженными вирусами, встраивающими набор генетических инструкций (HITI), вернул зрение крысам с пигментным ретинитом, при котором деградируют колбочки и палочки. В другой работе медики помогли мышам прозреть, заставив вспомогательные нервные клетки сетчатки, клетки Мюллера, регенерировать в светочувствительные рецепторы — палочки. Фокус в том, что у рыбок данио-рерио и амфибий клетки Мюллера и сами умеют превращаться в замену палочек, но у млекопитающих эта система обычно не работает, хотя клетки Мюллера и начинают делиться в ответ на повреждение сетчатки.
Первые эксперименты давно идут и на людях. Так, в 2008 году шесть пациентов с амаврозом Лебера из Пенсильвании в возрасте от 17 до 26 лет получили генную терапию — инъекцию в сетчатку обезвреженного вируса, доставившего в клетки исправленную версию гена RPE65, из-за мутации в котором они уже почти ничего не видели (также изменения этого гена могут вызывать и несколько видов пигментного ретинита). Через несколько недель глаза пациентов (инъекцию получил один глаз, второй оставался для контроля) различали втрое больше света, судя по расширению зрачка. Двое смогли прочитать первые несколько строк таблицы для проверки зрения, хотя раньше едва видели движение собственной руки. Еще один смог пройти курс препятствий впервые в жизни. В Лондоне результат наблюдался только у одного из троих пациентов, чья сетчатка была в лучшем состоянии.
В работе 2020 года технология CRISPR/Cas9 помогла отредактировать мутацию гена CEP290, которая вызывает другую разновидность амавроза Лебера. Хотя мутация полностью отключает работу фоторецепторов, эти клетки не погибают. Поэтому ученым удалось их «реанимировать» у одного пациента при помощи точечных исправлений.
Генетическая модификация, за которую поймали с поличным
Ну а тем, кого подобные эксперименты с генетическим редактированием людей повергли в шок и ужас, особенно хочется рассказать про свежее исследование, посвященное гену IRBP. Этот ген кодирует одноименный белок, без которого в сетчатке позвоночных комплексы витамина А не смогут вернуться в нормальное состояние после того, как они изменили форму, чтобы послать электрический импульс зрительному нерву. Получается, что это один из важных для нашего зрения белков, который должен сохраняться почти в неизменном виде очень долго по меркам эволюции. Но у ближайших к нам беспозвоночных он не встречается — хотя их глаза могут быть сложно устроенными и давать прекрасное изображение, порой намного лучшее, чем человеческие.
Биоинформатики провели масштабный филогенетический анализ — сравнение и поиск похожих генов по эволюционному древу и реконструкцию того, как они менялись в процессе эволюции. Оказалось, что около 500 млн лет назад общие предки позвоночных получили IRBP в подарок… от бактерий — через горизонтальный перенос генов между разными царствами живого. У бактерий, близких современной группе S41, этот ген первоначально кодировал один из расщепляющих белок ферментов пептидаз. Но в организме позвоночных эта функция пропала, ген дважды удвоился, образовав четыре копии пептидазных фрагментов, приобрел вставки и новые функции. Независимо от нас другие версии IRBP унаследовали также грибы и ланцетники.
И это лишь один из огромного ряда примеров того, что все мы ГМО, причем не только по части зрения. Поэтому генетической терапией и редактированием наш организм не удивишь. В клинических испытаниях можно хотя бы проверять безопасность медицинского вмешательства, соотнести пользу и риски от него — в отличие от случайных мутаций и горизонтального переноса генов, который происходит сам по себе, а судьбу носителей невольных носителей каждого новшества решает естественный отбор в конкретной среде. Так что открещиваться от современных методов не стоит — тем более что они позволяют отредактировать только небольшой участок, например сетчатку, а не взрослого человека целиком.
Текст: Екатерина Мищенко