Большинство позвоночных, не являющихся млекопитающими, имеют систему определения цвета в шишковидной железе головного мозга, которая расположена в одной клетке. В сотрудничестве с Женским университетом Нара, новое исследование факультета биологии и наук о Земле Высшей школы естественных наук Городского университета Осаки обнаружило двухклеточную систему у миноги, бесчелюстной рыбы, которая сохраняет многие примитивные черты позвоночных. Исследовательская группа предположила, что определение цвета одной клетки у большинства рыб и рептилий развилось из двухклеточной системы.

Исследовательская группа ранее показала, что, в отличие от миноги, шишковидная железа рыб и рептилий определяет цвет с помощью двух типов светочувствительных белков, называемых опсинами, расположенных в одной клетке. Это новое исследование, проведенное профессором Акихисой Теракита, показало, что чувствительный к УФ-излучению парапинопсин и чувствительный к зеленому цвету париетопсин, которые присутствуют в одной фоторецепторной клетке рыб и рептилий, экспрессируются в отдельных клетках миноги.

Их результаты были опубликованы в BMC Biology .

«Помимо глаз, рыбы и рептилии используют« третий глаз », называемый шишковидной железой, для определения цвета», – утверждает профессор Мицумаса Коянаги. «Основываясь на этих новых результатах, мы предлагаем удивительный сценарий, в котором механизм определения цвета пинеального органа, который был разделен на две клетки, был интегрирован в одну клетку в ходе эволюции»

.

В ходе исследования команда проанализировала систему определения цвета пинеальной железы миноги и сравнила ее с одноклеточными системами рыб и рептилий. Посредством секвенирования ДНК они идентифицировали у миноги набор генов, которые кодируют два опсина, обнаруженные в одноклеточной системе. К их удивлению, анализ экспрессии гена белка показал, что эти опсины экспрессируются в отдельных клетках.

Это говорит о том, что пинеальный орган миноги не одноклеточная система, а система, в которой два типа опсинов присутствуют в разных фоторецепторных клетках ».

Д-р. Сэйдзи Вада, Городской университет Осаки

Из предыдущих исследований, исследовательская группа знала, что одноклеточная система вызывает реакцию гиперполяризации при получении ультрафиолетового света и деполяризацию в ответ на видимый свет. Электрофизиологический анализ клеточных ответов показал, что двухклеточная система миноги также одинаково чувствительна к УФ и видимому свету.

«Чтобы еще больше укрепить нашу гипотезу о том, что двухклеточная система, аналогичная той, что мы обнаружили у более примитивной миноги, могла быть эволюционным предком одноклеточной системы рыб и рептилий», – утверждает профессор Акихиса Теракита, «мы также необходимо было исследовать белки, участвующие в преобразовании световой информации в клеточные реакции »

Команда, получившая название Gt and Go, с помощью иммуногистохимического анализа обнаружила, что эти белки, которые они подтвердили в предыдущих исследованиях на рыбках данио, используются клетками, чувствительными к УФ- и видимому свету в одноклеточной системе, и ответственны за то же самое. ответы в двухэлементной системе.

В предыдущей работе команда проверила реакцию фоторецепторов одноклеточной системы при различной интенсивности искусственного света, чтобы показать, что она хорошо работает даже в условиях сильного освещения. Чтобы прояснить потенциальную пользу этого эволюционного изменения, команда исследовала нейротрансмиттеры в двух клетках и обнаружила, что чувствительные к УФ и видимому свету клетки используют один и тот же нейромедиатор для интеграции каждого сигнала в следующую клетку для генерации цветовой информации. «Мы считаем, что процесс интеграции на уровне нейротрансмиттера может ухудшить отношение сигнал / шум в условиях сильного освещения», – утверждает Сэйдзи Вада

.

Из множества возможностей, которые раскрывает это открытие, команды сосредоточили свое внимание на его последствиях для человеческого глаза. Глаз, отвечающий за зрение, и шишковидная железа, отвечающая за другие функции, помимо зрения, имеют одно и то же происхождение.

Идея о том, что система определения цвета шишковидной железы эволюционировала от многоклеточной к одноклеточной системе, в то время как глаз, как считается, развил сложные нейронные цепи для обработки нескольких клеток, должна облегчить наше понимание зрительного и невизуального функции. Это эволюционное понимание предполагает, что для решения проблем с дальтонизмом вместо того, чтобы ограничиваться реконструкцией сложной многоклеточной системы, объединение ее в одноклеточную систему может стать вариантом в будущем.