В новаторском исследовании с использованием выращенной в лаборатории сетчатки человека ученые раскрывают процесс, лежащий в основе нашей способности видеть миллионы цветов — уникальной черты человека. Результаты бросают вызов предыдущим убеждениям и демонстрируют, как ретиноевая кислота играет решающую роль в определении того, воспринимают ли специализированные колбочки красный или зеленый свет.
Это открытие проливает свет на дальтонизм, возрастную потерю зрения и дает надежду на будущие методы лечения.
Выращивая сетчатку человека в чашке Петри, исследователи обнаружили, как ответвление витамина А генерирует специализированные клетки, которые позволяют людям видеть миллионы цветов — способность, которой не обладают собаки, кошки и другие млекопитающие.
«Эти органоиды сетчатки позволили нам впервые изучить эту очень специфичную для человека черту», — комментирует автор исследования Роберт Джонстон (Robert Johnston). «Это огромный вопрос о том, что делает нас людьми, что отличает нас».
Результаты исследования, опубликованные в научном журнале PLOS Biology, улучшают понимание дальтонизма, возрастной потери зрения и других заболеваний, связанных с фоторецепторными клетками. Ученые также демонстрируют, как гены инструктируют сетчатку человека создавать определенные клетки, чувствительные к цвету. Авторы исследования считают, что этот процесс контролируется гормонами щитовидной железы.
Изменяя клеточные свойства органоидов, исследовательская группа обнаружила, что молекула, называемая ретиноевой кислотой, определяет, будет ли колбочка специализироваться на восприятии красного или зеленого света. Только люди с нормальным зрением и близкородственные приматы развивают красный сенсор.
Ученые на протяжении десятилетий считали, что красные колбочки формируются в результате механизма подбрасывания монеты, когда клетки случайным образом начинают воспринимать зеленые или красные длины волн, а исследования команды Джонстона недавно обнаружили, что этот процесс можно контролировать с помощью уровня гормонов щитовидной железы. Вместо этого новое исследование предполагает, что красные колбочки материализуются в результате определенной последовательности событий, организованных ретиноевой кислотой в глазу.
Команда ученых обнаружила, что высокий уровень ретиноевой кислоты на ранних стадиях развития органоидов коррелирует с более высоким соотношением зеленых шишек. Аналогичным образом, низкие уровни кислоты изменили генетические инструкции сетчатки и на более позднем этапе развития привели к образованию красных колбочек.
«В этом все еще может быть некоторая случайность, но наш главный вывод заключается в том, что ретиноевая кислота вырабатывается на ранних стадиях развития», — добавляет Джонстон. «Это время действительно имеет значение для изучения и понимания того, как создаются эти колбочки».
Зеленые и красные колбочки удивительно похожи, за исключением белка опсина, который улавливает свет и сообщает мозгу, какие цвета видят люди. Различные опсины определяют, станет ли колбочка зеленым или красным сенсором, хотя гены каждого сенсора остаются на 96% идентичными. С помощью революционного метода, позволяющего обнаружить эти тонкие генетические различия в органоидах, команда ученых отслеживала изменения соотношения шишек в течение 200 дней.
«Поскольку мы можем контролировать в органоидах популяцию зеленых и красных клеток, мы можем как бы сделать пул более зеленым или более красным», — объясняет автор исследования Сара Хадыняк (Sarah Hadyniak) из Университета Дьюка (Duke University). «Это имеет значение для выяснения того, как именно ретиноевая кислота действует на гены».
Одним из самых удивительных результатов нового исследования стало то, как у людей изменились пропорции зеленых и красных колбочек.
Ученые до сих пор не до конца понимают, как соотношение зеленых и красных колбочек может так сильно варьироваться, не влияя при этом на чье-то зрение, и хотят лучше понять такие заболевания, как дегенерация желтого пятна, которая вызывает потерю светочувствительных клеток вблизи центра сетчатки. Цель состоит в том, чтобы углубить понимание того, как колбочки и другие клетки связаны с нервной системой.
«Наша надежда в будущем — помочь людям с этими проблемами со зрением», — заключает Джонстон. «Пройдет некоторое время, прежде чем это произойдет, но просто знать, что мы можем создавать эти разные типы клеток, очень, очень многообещающе».
Авторы другого исследования заявляют, что искусственно выращенная сетчатка объясняет развитие цветового зрения