Melanopsin - Melanopsin
Melanopsin je typ fotopigmentu patřícího do větší rodiny na světlo citlivých sítnicových proteinů nazývaných opsiny a kódovaných genem Opn4 . V savčí sítnici existují dvě další kategorie opsinů, které se podílejí na tvorbě vizuálních obrazů: rhodopsin a fotopsin (typy I, II a III) v tyčových a kuželových fotoreceptorových buňkách.
U lidí se melanopsin nachází ve vnitřně fotosenzitivních gangliových buňkách sítnice (ipRGC). Nachází se také v duhovce myší a primátů. Melanopsin se také nachází u potkanů, amfioxů a dalších strunatců. ipRGC jsou buňky fotoreceptorů, které jsou u savců zvláště citlivé na absorpci viditelného světla s krátkou vlnovou délkou (modré) a sdělují informace přímo do oblasti mozku nazývané suprachiasmatické jádro (SCN), u savců také známé jako centrální „tělesné hodiny“. . Melanopsin hraje důležitou roli, která netvoří obraz, při nastavování cirkadiánních rytmů a dalších funkcí. Mutace v genu Opn4 mohou vést ke klinickým poruchám, jako je například sezónní afektivní porucha (SAD). Podle jedné studie byl melanopsin nalezen na osmnácti místech v lidském mozku (mimo retinohypothalamický trakt), intracelulárně, v zrnitém uspořádání, v mozkové kůře, mozečkové kůře a několika fylogeneticky starých oblastech, primárně v neuronálním somu, nikoli v jádrech. Melanopsin je také exprimován v lidských kuželech. Melanopsin však exprimuje pouze 0,11% až 0,55% lidských kuželů a nacházejí se výhradně v periferních oblastech sítnice. Lidská periferní sítnice snímá světlo s vysokou intenzitou, což lze nejlépe vysvětlit čtyřmi různými třídami fotopigmentu.
Objev
Melanopsin byl poprvé objeven Ignaciom Provenciom jako nový opsin v melanoforech neboli kožních buňkách citlivých na světlo africké drápaté žáby v roce 1998. O rok později vědci zjistili, že myši bez jakýchkoli tyčinek nebo čípků , buňky zapojené do obrazu tvořící vidění, stále unášené cyklem světlo-tma. Toto pozorování vedlo k závěru, že ani tyčinky, ani čípky, umístěné ve vnější sítnici , nejsou nutné pro cirkadiánní strhávání a že v savčím oku existuje třetí třída fotoreceptoru. Provencio a kolegové poté v roce 2000 zjistili, že melanopsin je také přítomen v myší sítnici, konkrétně v gangliových buňkách , a že zprostředkovává nevizuální fotoreceptivní úkoly. Bylo zjištěno, že melanopsin je kódován Opn4 pomocí ortologů v různých organismech.
Bylo zjištěno, že tyto gangliové buňky sítnice jsou přirozeně fotosenzitivní, protože reagovaly na světlo, i když byly izolovány, a byly tedy pojmenovány jako vnitřně fotosenzitivní retinální gangliové buňky (ipRGC) . Představují třetí třídu fotoreceptorových buněk v savčí sítnici, kromě již známých tyčinek a čípků, a bylo prokázáno, že jsou hlavním kanálem pro vstup světla do cirkadiánního fotoelektrického vyčerpání . Ve skutečnosti později Satchidananda Panda a kolegové prokázali, že melanopsinový pigment může být zapojen do strhávání cirkadiánního oscilátoru do světelných cyklů u savců, protože melanopsin byl nezbytný pro slepé myši, aby reagovaly na světlo.
Distribuce druhů
Savci mají ortologické melanopsin geny nazvané Opn4m , které jsou odvozeny z jedné větve Opn4 rodiny, a jsou přibližně 50 až 55% zachována. Ne savčí obratlovci, včetně kuřat a zebrafish, však mají jinou verzi genu pro melanopsin, Opn4x , který má zjevnou linii, která se od Opn4m lišila asi před 360 miliony lety. Savci ztratili gen Opn4x relativně brzy ve svém vývoji, což vedlo k obecnému snížení fotosenzorické schopnosti. Předpokládá se, že tuto událost lze vysvětlit skutečností, že k tomu došlo v době, kdy se vyvíjeli noční savci.
Struktura
Gen lidského melanopsinu, opn4 , je exprimován v ipRGC , který obsahuje pouze 1-2% RGC ve vnitřní savčí sítnici, jak studoval Samer Hattar a kolegové. Gen zabírá přibližně 11,8 kb a je mapován na dlouhé rameno chromozomu 10 . Gen obsahuje devět intronů a deset exonů ve srovnání se čtyřmi až sedmi exony, které se typicky nacházejí v jiných lidských opsinech. U obratlovců, kteří nejsou savci, se melanopsin nachází v širší podskupině sítnicových buněk, stejně jako ve fotocitlivých strukturách mimo sítnici, jako je duhovkový sval oka, hluboké oblasti mozku, epifýza a kůže. Paralogy z Opn4 patří OPN1LW, OPN1MW Rho a OPN3 a byly objeveny v Genome Project.
Melanopsin, stejně jako všechny ostatní zvířecí opsiny (např. Rhodopsin ), je členem rodiny receptorů spojených s G-proteinem (GPCR) . Protein melanopsinu má sedm alfa šroubovic integrovaných v plazmatické membráně, N-koncovou doménu a C-koncovou doménu . Daleko více připomíná bezobratlé opsiny než fotopigmenty obratlovců , zejména v sekvenci aminokyselin a signální kaskádě po proudu . Stejně jako bezobratlé opsiny se zdá, že je to fotopigment s vnitřní fotoizomerázovou aktivitou a signalizuje prostřednictvím G-proteinu rodiny Gq.
Funkce
Gangliové buňky obsahující melanopsin, jako tyčinky a čípky, vykazují adaptaci na světlo i na tmu ; upravují svou citlivost podle nedávné historie expozice světlu. Zatímco tyčinky a čípky jsou zodpovědné za příjem obrazů, vzorů, pohybu a barev, ipRGC obsahující melanopsin přispívají k různým reflexním reakcím mozku a těla na přítomnost světla.
Důkazy pro detekci fyziologického světla melanopsinu byly testovány na myších. Myší buněčná linie, která není normálně fotosenzitivní, Neuro-2a , se stane citlivou na světlo přidáním lidského melanopsinu. Fotoresponse je selektivně citlivá na světlo s krátkou vlnovou délkou (špičková absorpce ~ 479 nm) a má vnitřní regenerační funkci fotoizomerázy, která je chromaticky posunuta na delší vlnové délky.
Melanopsinové fotoreceptory jsou citlivé na řadu vlnových délek a dosahují špičkové absorpce světla na vlnových délkách modrého světla kolem 480 nanometrů. Jiné vlnové délky světla aktivují melanopsinový signalizační systém s klesající účinností, když se vzdalují od optimálních 480 nm. Například kratší vlnové délky kolem 445 nm (blíže k fialové ve viditelném spektru ) jsou o polovinu účinnější pro stimulaci melanopsinového fotoreceptoru než světlo při 480 nm.
Melanopsin v duhovce některých, primárně nočních, savců zavírá duhovku, když je vystavena světlu. Tento lokální světelný reflex zornice (PLR) u primátů chybí, přestože jejich duhovky exprimují melanopsin.
Mechanismus
Když světlo s vhodnou frekvencí pronikne do oka, aktivuje melanopsin obsažený ve vnitřně fotosenzitivních gangliových buňkách sítnice (ipRGC), čímž se spustí akční potenciál . Tyto neuronální elektrické signály cestují přes neuronové axony ke konkrétním mozkovým cílům, jako je například centrum pupilární kontroly nazývané olivary pretectal nucleus (OPN) středního mozku. V důsledku toho stimulace melanopsinu v ipRGC zprostředkovává behaviorální a fyziologické reakce na světlo, jako je zúžení zornice a inhibice uvolňování melatoninu z epifýzy . IpRGC v savčí sítnici jsou jedním koncem retinohypothalamického traktu, který vyčnívá do suprachiasmatického jádra (SCN) hypotalamu . Suprachiasmatické jádro je někdy popisováno jako „hlavní hodiny“ mozku, protože udržuje cirkadiánní rytmus a nervové signály z ipRGC do SCN strhávají vnitřní cirkadiánní rytmus do východu a západu slunce. SCN také přijímá vstup z tyčinek a čípků přes retinohypotalamický trakt, takže informace ze všech tří typů fotocitlivých buněk (tyčinky, čípky a ipRGC) v savčí sítnici jsou přenášeny do (SCN) SCN.
Předpokládá se, že ganglionové buňky obsahující melanopsin ovlivňují tyto cíle uvolněním neurotransmiterů glutamátu a hypofyzární adenylátcyklázy aktivujícího polypeptidu (PACAP) z jejich axonových terminálů. Gangliové buňky obsahující melanopsin také přijímají vstup z tyčinek a čípků, které se mohou přidat do vstupu do těchto drah.
Účinky na cirkadiánní rytmus
Melanopsin hraje důležitou roli při fotoextraci cirkadiánních rytmů u savců. Organismus, který je fotoelektrický , sladil svou aktivitu s přibližně 24hodinovým cyklem, slunečním cyklem na Zemi. U savců se melanopsin exprimující axony zaměřují na suprachiasmatické jádro (SCN) přes retinohypothalamický trakt (RHT).
U savců je oko hlavním fotosenzitivním orgánem pro přenos světelných signálů do mozku. Slepí lidé jsou však stále schopni unést se do cyklu životního prostředí světlo-tma, přestože nemají vědomé vnímání světla. Jedna studie vystavila subjekty delší dobu jasnému světlu a měřila jejich koncentrace melatoninu . Melatonin byl potlačen nejen u zrakově nezhoršených lidí, ale také u nevidomých účastníků, což naznačuje, že fototická dráha používaná cirkadiánním systémem je funkčně neporušená navzdory slepotě. Lékaři proto již neprovádějí enukleaci nevidomých pacientů ani odstraňování očí při narození, protože oči hrají klíčovou roli ve fotoextraci cirkadiánního kardiostimulátoru.
U mutantních plemen myší, kterým chyběly pouze tyčinky, pouze čípky nebo oba tyčinky a čípky, byla všechna plemena myší stále unášena změnou světelných podnětů v prostředí, ale s omezenou odezvou, což naznačuje, že tyčinky a čípky nejsou nutné pro cirkadiánní fotoelektrické a že oko savce musí mít další fotopigment potřebný pro regulaci cirkadiánních hodin.
Melanopsin- knockout myši zobrazení snížena photoentrainment. Ve srovnání s myšmi divokého typu, které normálně exprimovaly melanopsin, byly u myší bez melanopsinu ( Opn4-/- ) zaznamenány deficity ve fázově posunutých pohybových aktivitách vyvolaných světlem . Tyto myši s nedostatkem melanopsinu úplně neztratily své cirkadiánní rytmy, protože se stále dokázaly strhnout ke změně environmentálních podnětů, i když pomaleji než normálně. To naznačovalo, že ačkoliv je melanopsin pro strhávání dostačující, musí pro normální fotoelektrickou aktivitu fungovat ve spojení s jinými fotopigmenty. Triple-mutantní myši, které byly tyč méně, kužel-méně, a melanopsin méně zobrazení úplnou ztrátu v cirkadiánních rytmů, takže všechny tři photopigments v těchto fotoreceptorů rhodopsin , jodopsin a melanopsin, jsou nezbytné pro photoentrainment. Proto existuje funkční redundance mezi třemi fotopigmenty v dráze fotoelektrické výživy savců. Odstranění pouze jednoho fotopigmentu neeliminuje schopnost organismu strhávat okolní cykly světlo-tma, ale snižuje intenzitu reakce.
Nařízení
Melanopsin prochází fosforylací na svém intracelulárním karboxylovém ocasu jako způsob deaktivace jeho funkce. Ve srovnání s jinými opsiny má melanopsin neobvykle dlouhý karboxylový ocas, který obsahuje 37 aminokyselinových míst serinu a threoninu, které by mohly podstoupit fosforylaci. K deaktivaci melanopsinu zebrafish však stačí shluk sedmi aminokyselin. Tato místa jsou defosforylována, když je melanopsin vystaven světlu, a jsou jedinečná od těch, která regulují rhodopsin. Jsou důležité pro správnou reakci na ionty vápníku v ipRGC; nedostatek funkčních fosforylačních míst, zejména u serinu-381 a serinu-398, snižuje odpověď buňky na příliv vápníkových iontů vyvolaný světlem, když se otevřou napěťově řízené kanály kalciových iontů.
Pokud jde o gen Opn4, dopamin (DA) je faktorem regulace melanopsinové mRNA v ipRGC.
Klinický význam
Objev úlohy melanopsinu ve vidění, které netvoří obraz, vedlo k růstu optogenetiky . Toto pole se ukázalo slibné v klinických aplikacích, včetně léčby lidských očních chorob, jako je retinitis pigmentosa a diabetes . Missense mutace v Opn4, P10L, byla prokázána u 5% pacientů se sezónní afektivní porucha (SAD). Jedná se o stav, kdy lidé v zimě kvůli sníženému dostupnému světlu prožívají depresivní myšlenky. Receptor na bázi melanopsinu byl navíc spojen s migrenózní bolestí.
Obnovení zraku
Tam byl nedávný výzkum o roli melanopsin v optogenetic terapie u pacientů s degenerativní onemocnění oka retinitis pigmentosa (RP). Znovuzavedení funkčního melanopsinu do očí myší s degenerací sítnice obnovuje reflex pupilárního světla (PLR) . Tyto stejné myši také dokázaly rozlišit světelné podněty od tmavých podnětů a vykazovaly zvýšenou citlivost na světlo v místnosti. Vyšší citlivost, kterou tyto myši prokázaly, je příslibem obnovy zraku, která může být použitelná u lidí a lidských očních chorob.
Řízení vzorců spánku/bdění
Melanopsin může pomoci při řízení spánkových cyklů a bdění. Tsunematsu a kolegové vytvořili transgenní myši, které vyjádřeno v melanopsin hypotalamické orexin neuronech. S krátkým 4sekundovým pulzem modrého světla (vedeným optickými vlákny ) mohly transgenní myši úspěšně přejít z pomalého spánku (SWS), který je běžně známý jako „hluboký spánek“, do dlouhotrvající bdělosti. Po vypnutí modrého světla vykazovaly neurony hypotalamického orexinu aktivitu několik desítek sekund. Ukázalo se, že tyčinky a čípky nehrají při nástupu spánku světlem žádnou roli, odlišují je od ipRGC a melanopsinu. To poskytuje pádný důkaz, že existuje souvislost mezi ipRGC u lidí a bdělostí, zejména při vysokofrekvenčním světle (např. Modrém světle). Melanopsin proto může být použit jako terapeutický cíl pro řízení cyklu spánek-bdění.
Regulace hladin glukózy v krvi
V článku publikovaném Ye a kolegy v roce 2011 byl melanopsin použit k vytvoření optogenetického syntetického transkripčního zařízení, které bylo testováno v terapeutickém prostředí za vzniku Fc-glukagonu podobného peptidu 1 (Fc-GLP-1), fúzního proteinu, který pomáhá kontrolovat hladinu glukózy v krvi u savců s diabetem typu II . Vědci subkutánně implantovali myším mikroenkapsulované transgenní buňky HEK 293, které byly kotransfekovány dvěma vektory včetně melanopsinového genu a požadovaného genu pod promotorem NFAT ( jaderný faktor aktivovaných T buněk ). Právě touto inženýrskou cestou úspěšně kontrolovali expresi Fc-GLP-1 u dvojnásobně recesivních diabetických myší a snížili u těchto myší hyperglykémii nebo vysoké hladiny glukózy v krvi. To ukazuje příslib pro použití melanopsinu jako optogenetického nástroje pro léčbu diabetu typu II.
Viz také
- Světelné efekty na cirkadiánní rytmus
- Opsins
- Vnitřně fotosenzitivní retinální gangliové buňky (ipRGC)
- Suprachiasmatické jádro (SCN)
- Retinohypotalamický trakt
Reference
Další čtení
- Rovere G, Nadal-Nicolás FM, Wang J, Bernal-Garro JM, García-Carrillo N, Villegas-Pérez MP a kol. (Prosinec 2016). „Retinální gangliové buňky obsahující melanopsin nebo neobsahující melanopsin reagující na akutní oční hypertenzi s neuroprotekcí neurotropního faktoru odvozenou z mozku nebo bez ní“ . Investigativní oftalmologie a vizuální věda . 57 (15): 6652–6661. doi : 10,1167/iovs.16-20146 . PMID 27930778 .