Ученые раскрыли тайну появления ночного зрения у млекопитающих

В сетчатке глаз у позвоночных доминируют цветовые колбочки, но у млекопитающих на первый план выходят палочки. Некогда они обеспечили им миллионы лет благополучного выживания в эпоху динозавров. Американские ученые выяснили, что такую способность еще больше 200 млн лет назад им обеспечил белок NRL, превращающий незрелые клетки-колбочки в зрелые клетки-палочки. Статью о работе публикует журнал Cell.
Ранние млекопитающие развили ночное зрение, позволившее им вести активную жизнь в такое время суток, когда главные конкуренты и противники, динозавры, были практически слепы. Считается, что это событие стало одним из важнейших в их эволюционной истории. До сих пор в сетчатке млекопитающих доминируют палочки – чрезвычайно чувствительные фоторецепторы, важные при плохом освещении но неспособные различать частоту фотонов, цвет излучения. При этом у птиц, рыб и других позвоночных основным типом фоторецепторов остаются колбочки. Недостаточно чувствительные для темноты, они позволяют различать цвета и специализируются на волнах коротковолновой (S), средне- (M) и длинноволновой (L) части видимого диапазона.

Показано, что S- и L-колбочки – древнейшие из фоторецепторов: их белки-опсины, несущие светочувствительные хромофоры, имелись еще у последнего общего предка позвоночных, включая архаичную группу бесчелюстных. Другие опсины колбочек, а также скотопсин, который составляет пигмент у палочек, появились позднее, в результате дупликации и изменений тех же старых генов. В некоторых количествах палочки имеются и у низших позвоночных, однако только у млекопитающих они приобрели такую важную роль и численность.

Развитие фоторецепторов у млекопитающих

 двумя белками – фактором транскрипции NRL и рецептором тиреоидных гормонов TRβ2. Считается, что «по умолчанию» клетки-предшественницы дифференцируются в S-колбочки. Эксперименты на мышах показали, что дефицит NRL ведет к развитию S-колбочек вместо палочек, а дефицит TRβ2 – к отсутствию М-колбочек.

Это позволило исследователю американского Национального глазного института Ананду Сварупу (Anand Swaroop) предположить, что развитие ночного зрения у ранних млекопитающих произошло довольно быстро, после того как ген NRL стал массово «переквалифицировать» будущие S-колбочки в палочки.

Чтобы подтвердить эту гипотезу, команда Сварупа изучила фоторецепторы мышей на разных этапах клеточной дифференцировки, которая завершается уже после рождения. Авторы показали, что на второй день будущие палочки еще экспрессируют гены S-колбочек. Однако на 10-й день их активность была подавлена метилированием ДНК и белками-гистонами.

Дополнительные опыты на рыбках данио продемонстрировали, что их немногочисленная популяция палочек имеет другое происхождение и образуется непосредственно из популяции клеток-предшественниц. Этот путь сохраняется и у млекопитающих, однако львиная доля палочек формируется из предшественниц колбочек.

Ученые также сравнили соответствующие участки геномов различных позвоночных. Обнаружилось, что существенные изменения генов, связанных с регуляцией активности NRL, совпадают по времени с возникновением у млекопитающих ночного зрения – чуть больше 200 миллионов лет назад. Возвращение к дневному образу жизни и усиление цветного зрения некоторые из них, включая наших предков, совершили позднее. При этом до сих пор в нашей сетчатке палочек на порядок больше, чем колбочек.

Роман Фишман