Belysningen på jordens overflade varierer med >10 størrelsesordener i løbet af den normale dag- og natcyklus, og hvirveldyrenes visuelle system dækker hele dette område af lysintensiteter med to neuronale undersystemer, der er afhængige af aktiviteten af to typer fotoreceptorceller, stave og kogler. Menneskets stav syn fungerer over ca. syv decimalordener af belysningsstyrke. Keglesynssystemet fungerer over et endnu større område (Rodieck 1998). Lystilpasning sker på alle niveauer i det visuelle system, fra fotoreceptorer til centrale neuroner. Alligevel afhænger hele det visuelle systems funktion af selve fotoreceptorernes evne til at tilpasse deres følsomhed til den omgivende belysningssituation. Fotoreceptorerne skal således generere pålidelige signaler om natten, når de enkelte fotoner opfanges mellem lange mørkeintervaller, og de skal også fortsætte med at sende signaler ved de meget høje lysintensiteter, der forekommer på en solskinsdag. Fotoreceptorernes lystilpasning formidles sandsynligvis af flere og måske redundante molekylære mekanismer (Detwiler og Gray-Keller 1992; Lagnado og Baylor 1992; Bownds og Arshavsky 1995; Pugh et al. 1999). For nylig opsummerede Pugh et al. 1999 ni individuelle molekylære mekanismer, der menes at være involveret i tilpasning, og diskuterede deres relative bidrag til hele tilpasningsprocessen. En undersøgelse af de samme forfattere, der er offentliggjort på side 795 (Nikonov et al. 2000, dette nummer), giver eksperimentel støtte til deres indsigter og videreudvikler en teoretisk ramme, der vil få indflydelse på fremtidige undersøgelser af fotoreceptorers lystilpasning.
De molekylære mekanismer, der ligger til grund for lystilpasning, kan diskuteres i forbindelse med de reaktioner, der styrer cGMP i fotoreceptorcytoplasmaet (Hodgkin og Nunn 1988):
Den intracellulære koncentration af cGMP bestemmes af hastigheden af dets syntese af guanylylcyklase og hastigheden af dets hydrolyse af cGMP-fosfodiesterase (PDE). Denne koncentration overvåges konstant af de cGMP-gated kanaler, der er placeret i fotoreceptorens plasmamembran. I den mørketilpassede fotoreceptor opretholdes en konstant cGMP-koncentration på nogle få mikromolars. Dette holder en del af de cGMP-gated kationiske kanaler i den ydre plasmamembran åben og cellen depolariseret. Lyset får cGMP til at falde ved at aktivere PDE via den enzymatiske kaskade, der omfatter fotoaktiveret rhodopsin, G-proteinet kaldet transducin og effektorenzymet PDE. Reduktionen i cGMP-koncentrationen resulterer i kanallukning og hyperpolarisering af fotoreceptoren. Genoprettelse af lysreaktionen sker, når den excitatoriske kaskade inaktiveres, cGMP-niveauet genoprettes af guanylylcyklase, og kanalerne genåbnes. Under lysresponsen falder den intracellulære Ca2+-koncentration også, da dens indgang gennem de cGMP-gated kanaler er blokeret, mens den fortsætter med at blive ekstruderet af et Na2+/Ca2+-K+, udvekslingsmolekyle, der er placeret i plasmamembranen. Det er dette Ca2+ -fald, der er blevet impliceret som den vigtigste faktor, der ligger til grund for lystilpasning, fordi det fører til feedback-regulering af forskellige komponenter i fototransduktionskaskaden.
For at illustrere betydningen af lystilpasning for normal fotoreceptorfunktion kan man overveje følgende. For at stavfotoreceptorer kan registrere minimale lysstimuli, skal der opnås en høj grad af signalforstærkning i rhodopsin-transducin-PDE-kaskaden. For eksempel bliver ∼5% af de åbne, lysfølsomme kanaler lukket på toppen af paddernes stavrespons på en enkelt foton, hvilket sker ∼1 s efter fotonabsorptionen. Dette indebærer, at en konstant belysning med kun ∼100 fotoner pr. sekund ville lukke alle kanalerne, hvilket ville gøre cellen uimodtagelig for yderligere lysstimulering. Men fordi stave tilpasser sig til lys, undgås denne mætning, indtil den omgivende belysning giver en fotonindfangningshastighed på ∼10.000 fotoner pr. sekund. Effekten af tilpasningen er endnu mere dybtgående i kegleceller: de mættes stort set aldrig.
Overgangen mellem fotoreceptorens mørke- og lystilstand og den lystilpassede tilstand ledsages af to væsentlige ændringer i fotoreceptorernes fysiologiske egenskaber. For det første er de lystilpassede fotoreceptorer mindre lysfølsomme, hvilket forhindrer dem i at blive blinde ved høje lysintensitetsniveauer. For det andet producerer de lystilpassede fotoreceptorer hurtigere fotoreaktioner, hvilket forbedrer den tidsmæssige opløsning i det visuelle system. Det er på disse to egenskaber, at udtrykket “lystilpasning” oftest er blevet anvendt, og den fremherskende opfattelse i litteraturen tyder på, at Ca2+-feedback-systemerne ligger til grund for begge. Et uhyre vigtigt bidrag fra Nikonov et al. 2000 er at udfordre denne opfattelse. Forfatterne undersøgte processen med lystilpasning i salamander-stavfotoreceptorer og giver eksperimentelt bevis for, at både fotoreceptorernes desensibilisering og responsacceleration stort set er uafhængige af Ca2+ feedback. I stedet er de et resultat af den forhøjede PDE-aktivitet forårsaget af konstant baggrundsbelysning.
En effekt af konstant PDE-aktivering på den absolutte responsfølsomhed er ret ligetil. Da responsets absolutte følsomhed er proportional med det absolutte antal kanaler, der er åbne før blinket, fører reduktionen i antallet af åbne kanaler forårsaget af den konstante belysning automatisk til en komprimering af responsamplituden. Kompressionen af responsen er imidlertid en relativt lille del af den samlede virkning af den konstante PDE-aktivering. Den vigtigste kilde til reduktion af blitzfølsomheden skyldes fremskyndelsen af signalgenoprettelsen som følge af PDE-aktiveringen. Formelt set opstår denne acceleration, fordi tidskonstanten for den reaktion, der styrer den flash-inducerede cGMP-ændring, er omvendt proportional med den specifikke PDE-aktivitet pr. cytoplasmatisk volumen. Denne tidskonstant er nøjagtig den samme tidskonstant, der styrer omsætningen af hele cGMP-cytoplasmapuljen under de samme belysningsbetingelser.
Det sidstnævnte koncept er ikke intuitivt, og Nikonov et al. 2000 giver en hydrodynamisk “badekar”-analogi for at illustrere denne effekt i diskussionen af deres artikel. Vi giver en anden analogi, som måske vil appellere til læseren, der er bekendt med egenskaberne ved elektriske kredsløb. Betragt et elektrisk kredsløb bestående af en variabel modstand, en kondensator og en konstant strømkilde. Spændingen (V) over kondensatoren repræsenterer cGMP-koncentrationen. Strømmen (i), der oplader kondensatoren (C), repræsenterer hastigheden af cGMP-syntesen ved guanylylcyklase (α, ifølge Nikonov et al. 2000), mens kondensatoren repræsenterer cellevolumenet. PDE-aktiviteten repræsenteres af den variable modstand (R(I)), som reguleres af lyset (I). Modstandens ledningsevne, 1/R, repræsenterer summen af den mørke basale PDE-aktivitet og den lysstimulerede PDE-aktivitet. Spændingen over kondensatoren bestemmes af balancen mellem strømtilførslen i kredsløbet og udstrømningen gennem modstanden. De ligninger, der beskriver ændringerne af spændingen i kredsløbet, er identiske med dem, der beskriver dynamikken i cGMP-koncentrationen i staven.
I denne analogi repræsenteres et flashrespons ved indførelsen af et kortvarigt, forbigående fald i R(I). Dette får spændingen til at falde til et bestemt niveau, hvorefter den eksponentielt vender tilbage til det stationære niveau med en tidskonstant τ = RC. Da 1/RC svarer til forholdet mellem PDE’s steady state-aktivitet og det cytoplasmatiske volumen (β, ifølge Nikonov et al. 2000), repræsenterer RC tidskonstanten for udvekslingen af den cytoplasmatiske cGMP-pool. Så det er klart, at en højere steady PDE-aktivitet reducerer denne tidskonstant og fører til en hurtigere genopretning af cGMP til sit basisniveau. Nikonov et al. 2000 viser, at denne anden kinetiske effekt af den konstante PDE-aktivitet før blinket er den vigtigste faktor, der er ansvarlig for fremskyndelsen af fotoreaktionen under lystilpasning. Det er vigtigt at bemærke, at da kredsløbet er lineært, er tidsforløbet for genoprettelsen af “flash”-responsen uafhængig af den stabile værdi af strømmen i. Ændringer i i skalerer blot amplituden af spændingsresponsen (cGMP) uden at ændre dens karakteristiske genopretningstid. Niveauet af den stationære cyklaseaktivitet, i i i denne analogi, har således ingen betydning for hastigheden af fotoreaktionens genopretning.
Den accelererede genopretning betyder, at flashresponsen udvikler sig over en kortere tidsperiode, og dette reducerer følsomheden over for et flash overlejret på en stationær baggrund. Således reducerer den stationære PDE-aktivering fotoreceptorens følsomhed ved de kombinerede virkninger af at reducere andelen af åbne kanaler og ved at afkorte fotoreaktionen kortvarigt. Elegante eksperimenter gjorde det muligt for Nikonov et al. 2000 at kvantificere graden af PDE-aktivering ved stabilt baggrundslys. De viser, at af den ∼100-dobbelte reduktion i blitzfølsomheden, der er observeret med deres lyseste baggrundsintensiteter (se Fig. 6 i Nikonov et al. 2000), skyldes ∼5-dobbelte responskompressionen og ∼15-dobbelte den kinetiske effekt af PDE-aktivering, idet den resterende del sandsynligvis skyldes virkningen af recoverin, der virker på den aktiverede rhodopsins levetid.
Har man tilskrevet hovedparten af reduktionen i fotoreceptorfølsomhed og accelerationen af fotoreaktionen til den forhøjede PDE-aktivitet før blinket, opstår spørgsmålet: Hvilken rolle spiller Ca2+ feedback i lystilpasning? Svaret er klart, når vi husker på, at den konstante PDE-aktivitet, der produceres af baggrundslyset, forårsager en betydelig stigning i den hydrolytiske cGMP-aktivitet. Hvis der ikke var nogen kompenserende mekanismer, ville cGMP-koncentrationen blive reduceret dramatisk, selv under moderat baggrundsbelysning, og i sidste ende ville der ikke være nogen kanaler åbne til at registrere yderligere lysændringer. Den mest grundlæggende rolle, som Ca2+ spiller i lystilpasning, er således at modvirke denne mætning ved at aktivere en række molekylære mekanismer, der i sidste ende fører til genåbning af kanalerne og dermed til udvidelse af det område af lysintensiteter, som fotoreceptoren fungerer over (se Pugh et al. 1999 for referencer og detaljeret diskussion).
Den vigtigste områdeudvidende effekt af Ca2+ formidles af en feedback på guanylylcyklase gennem de Ca2+ -bindende proteiner kaldet guanylylcyklase-aktiverende proteiner. Lysafhængig Ca2+-nedgang forårsager en stigning i cGMP-syntesens hastighed, der modvirker den forhøjede stabile PDE-aktivitet under baggrundsbelysning. Denne virkning af stabilt baggrundslys bør ikke forveksles med den dynamiske Ca2+-feedback på guanylylcyklase under flashresponset, som fremskynder flashresponsets genopretning. Nikonov et al. 2000 hævder, at effekten af dynamisk cyklaseaktivering varierer lidt med baggrundslysforholdene og derfor ikke bør betragtes som en vigtig faktor i lystilpasning.
Den anden rækkeviddeudvidende effekt af Ca2+ retter sig direkte mod de cGMP-gateede kanaler. Ca2+ -nedgang får kanalerne til at blive mere følsomme over for cGMP, således at de fungerer ved lavere cGMP-koncentration. Denne virkning formidles sandsynligvis af calmodulin eller calmodulinlignende proteiner og synes at være mere signifikant i kegle end i stave (Rebrik et al. 2000). Begge disse virkninger fører til genåbning af cGMP-gated kanaler under stabil belysning uden at forårsage nogen desensibiliserende virkninger; i stedet resensibiliserer de fotoreceptoren.
Den tredje Ca2+ feedback adskiller sig fra de andre, fordi den både forårsager en rækkeviddeforlængelse og bidrager til desensibiliseringen af cellen. Ca2+ -nedgang øger rhodopsinfosforylering gennem det Ca2+ -bindende protein recoverin, hvilket fører til et fald i levetiden for det aktiverede rhodopsin. Dette resulterer i desensibilisering, fordi det reducerer antallet af PDE-molekyler, der aktiveres af hvert rhodopsin. Arbejdsområdet udvides også, fordi det reducerede antal aktive PDE’er medfører en reduceret stabil cGMP-hydrolytisk hastighed. Både Nikonov et al. og anden nyere litteratur, som forfatterne omtaler, viser, at denne mekanisme i stænger synes at være langt mindre potent end feedback på guanylylcyklasen.
Et andet vigtigt resultat, der rapporteres i deres artikel, er, at der ikke er tegn på en fjerde foreslået Ca2+ feedback-mekanisme, nemlig den adaptive regulering af gevinsten i kaskaden mellem rhodopsinaktivering og kanallukning. Lamb og Pugh 1992 udviklede en metode til at estimere gevinsten i fototransduktionskaskaden ud fra en analyse af den indledende stigende fase af flashresponser. Senere viste andre undersøgelser, der blev diskuteret af Nikonov et al. 2000, at denne hældning blev nedsat for flashes præsenteret under baggrundsbelysning eller mens intracellulær Ca2+ blev kunstigt reduceret i mørke, og konkluderede, at dette afspejlede et Ca2+ feedback-system, der reducerede kaskadens forstærkning under lystilpasning. I den aktuelle artikel viser Nikonov et al. 2000, at for baggrundslysintensiteter, der lukker op til 80% af de lysfølsomme kanaler og resulterer i en ca. femdobbelt reduktion i intracellulær Ca2+, ændres den meget indledende stigende fase af flashresponser faktisk ikke. De konkluderer, at den tilsyneladende reduktion i den forstærkning, der er induceret af baggrundslys eller nedsat intracellulær Ca2+, som er beskrevet i litteraturen, sandsynligvis skyldes det øgede stabile niveau af PDE-aktivitet og den øgede hastighed af fotoeksponeret rhodopsin-slukning, der får fotoreaktionen til at skrælle af fra en invariant indledende bane på meget tidlige tidspunkter.
Nikonov og kolleger fremfører nu det synspunkt, at Ca2+ feedback i lystilpasning næsten udelukkende tjener til at øge fotoreceptorfølsomheden snarere end som en mekanisme til desensibilisering af fotoreceptorerne. Selv om dette kan lyde paradoksalt, var den sensibiliserende virkning af den Ca2+ feedback-medierede rækkeviddeudvidelse tydelig fra de allerførste publikationer, der påviste betydningen af lysinduceret Ca2+-nedfald for lystilpasning (Matthews et al. 1988; Nakatani og Yau 1988). I disse undersøgelser forårsagede inhibering af Ca2+ feedback under konstant baggrundsbelysning en katastrofal reduktion af blitzfølsomheden. Ca2+ feedback forhindrede i vid udstrækning følsomhedstabet og udvidede fotoreceptorens funktionsområde med ∼100 gange (se figur 2 i Matthews et al. 1988). Det elegante ved Nikonov et al. 2000-artiklen er, at de fandt en klar måde at adskille rollerne for både desensibiliserende og sensibiliserende mekanismer i den overordnede tilpasningsproces.
Dette bringer os tilbage til definitionen af lystilpasning i fotoreceptorer. Som vi nævnte ovenfor, er tilpasning normalt defineret som en kombination af celledesensibilisering og responsacceleration. Logikken i Nikonov et al. 2000 foreslår, at det er nødvendigt at omdefinere tilpasning til at omfatte tre indbyrdes forbundne fænomener: desensibilisering af cellerne, acceleration af responsen og udvidelse af arbejdsområdet. Individuelle molekylære mekanismer kan bidrage til et eller flere af disse tre træk. Som beskrevet af Pugh og kolleger 1999 indebærer desensibilisering i stave en stigning i den stabile cGMP-hydrolyse, signalkomprimering og et fald i rhodopsinens levetid ved hjælp af Ca2+/recoverin. Responsacceleration indebærer en øget stabil cGMP-hydrolyse og et fald i rhodopsinens levetid. Udvidelse af rækkevidden involverer tre Ca2+-afhængige processer: en stigning i cGMP-syntesen; en stigning i cGMP-kanalernes cGMP-følsomhed; og en forkortelse af den fotoaktiverede rhodopsins levetid.
Nikonov et al. 2000 giver en detaljeret matematisk model af hvirveldyrs stavfototransduktion og lystilpasning baseret på stort set alle veletablerede biokemiske mekanismer. Modellering af denne art omfatter naturligvis mange parametre, der giver meget plads til tvetydighed ved tilpasning af responser. I den aktuelle og i en tidligere artikel har Nikonov og kolleger (Nikonov et al. 1998, Nikonov et al. 2000) imidlertid eksperimentelt estimeret mange af de vigtigste fysiologiske og biokemiske parametre uafhængigt af hinanden. Dette eliminerer næsten helt vilkårlig manipulation af parametrene og øger robustheden af de konklusioner, der drages af modellen.
Med den kvantitative beskrivelse af fototransduktion og lystilpasning, som Nikonov et al. giver, hvad er der så tilbage af ukendt? Vi giver følgende tre eksempler her. For det første, selv om Nikonov et al. ikke fandt noget bevis for regulering af fototransduktionsgevinsten under deres eksperimentelle betingelser, er det stadig uvist, om der sker regulering af gevinstregulering ved højere belysningsniveauer, på en længere tidsskala eller hos forskellige arter. Hvis det er tilfældet, ville det betyde, at der findes yderligere biokemiske mekanismer og molekylære komponenter, som ikke er medtaget i det nuværende skema for fototransduktion. For det andet er der kun lidt viden om de molekylære mekanismer, der ligger til grund for lystilpasning i kogler. Kegler er i stand til at dække et større område end stave, og det er praktisk talt umuligt at mætte dem med kontinuerligt baggrundslys. Fremtidige undersøgelser bør være rettet mod at forstå, om hele kegletilpasningen kan forklares ved hjælp af måske mere effektive stavlignende tilpasningsmekanismer, eller om den kræver yderligere unikke mekanismer. For det tredje er det på et højere niveau af den visuelle behandling ukendt, hvordan tilpasning af de enkelte fotoreceptorer bidrager til tilpasning af hele det visuelle system. Det er endnu ikke afgjort, hvordan nogen af de tre komponenter i fotoreceptorernes lystilpasning, nemlig celledesensibilisering, responsacceleration og udvidelse af følsomhedsområdet, kan få vores lystilpassede syn til at fungere hurtigere, med bedre kontrastfølsomhed og højere rumlig opløsning.