Die Beleuchtungsstärke an der Erdoberfläche variiert während des normalen Tag-Nacht-Zyklus um >10 Größenordnungen, und das visuelle System der Wirbeltiere deckt diesen gesamten Bereich der Lichtintensität mit zwei neuronalen Teilsystemen ab, die auf der Aktivität von zwei Arten von Photorezeptorzellen, Stäbchen und Zapfen, beruhen. Das menschliche Stäbchensehen funktioniert in etwa sieben Dezimalordnungen der Beleuchtungsstärke. Das Zapfensichtsystem arbeitet in einem noch größeren Bereich (Rodieck 1998). Die Lichtanpassung erfolgt auf allen Ebenen des visuellen Systems, von den Photorezeptoren bis zu den zentralen Neuronen. Die Funktion des gesamten visuellen Systems hängt jedoch von der Fähigkeit der Photorezeptoren selbst ab, ihre Empfindlichkeit an die Beleuchtungssituation anzupassen. So müssen die Photorezeptoren nachts zuverlässige Signale erzeugen, wenn einzelne Photonen zwischen langen Intervallen der Dunkelheit eingefangen werden, und sie müssen auch bei sehr hohen Lichtintensitäten an einem sonnigen Tag weiterhin Signale aussenden. Die Lichtanpassung der Photorezeptoren wird wahrscheinlich durch mehrere, möglicherweise redundante molekulare Mechanismen vermittelt (Detwiler und Gray-Keller 1992; Lagnado und Baylor 1992; Bownds und Arshavsky 1995; Pugh et al. 1999). Kürzlich fassten Pugh et al. 1999 neun einzelne molekulare Mechanismen zusammen, von denen angenommen wird, dass sie an der Anpassung beteiligt sind, und erörterten ihren relativen Beitrag zum gesamten Anpassungsprozess. Eine Studie derselben Autoren, die auf Seite 795 veröffentlicht wurde (Nikonov et al. 2000, in dieser Ausgabe), liefert die experimentelle Unterstützung für ihre Erkenntnisse und entwickelt einen theoretischen Rahmen weiter, der sich auf zukünftige Studien zur Lichtadaptation von Photorezeptoren auswirken wird.
Die molekularen Mechanismen, die der Lichtanpassung zugrunde liegen, können im Zusammenhang mit den Reaktionen diskutiert werden, die cGMP im Zytoplasma der Photorezeptoren steuern (Hodgkin und Nunn 1988):
Die intrazelluläre Konzentration von cGMP wird durch die Geschwindigkeit seiner Synthese durch die Guanylylzyklase und die Geschwindigkeit seiner Hydrolyse durch die cGMP-Phosphodiesterase (PDE) bestimmt. Diese Konzentration wird ständig von den cGMP-gesteuerten Kanälen in der Plasmamembran der Photorezeptoren überwacht. Im dunkeladaptierten Photorezeptor wird eine konstante cGMP-Konzentration von einigen Mikromolaren aufrechterhalten. Dadurch bleibt ein Teil der cGMP-gesteuerten kationischen Kanäle in der äußeren Plasmamembran offen und die Zelle depolarisiert. Licht lässt die cGMP-Konzentration sinken, indem es die PDE über eine enzymatische Kaskade aktiviert, die photoaktiviertes Rhodopsin, das G-Protein Transducin und das Effektorenzym PDE umfasst. Die Verringerung der cGMP-Konzentration führt zum Verschluss des Kanals und zur Hyperpolarisation des Photorezeptors. Die Wiederherstellung der Lichtreaktion erfolgt, wenn die Erregungskaskade inaktiviert wird, der cGMP-Spiegel durch die Guanylylzyklase wiederhergestellt wird und die Kanäle sich wieder öffnen. Während der Lichtreaktion sinkt auch die intrazelluläre Ca2+-Konzentration, da der Eintritt von Ca2+ durch die cGMP-gesteuerten Kanäle blockiert ist, während es weiterhin durch ein Na2+/Ca2+-K+-Austauschmolekül in der Plasmamembran extrudiert wird. Dieser Ca2+-Rückgang wird als Hauptfaktor für die Lichtanpassung angesehen, da er zu einer Rückkopplungsregulierung verschiedener Komponenten der Phototransduktionskaskade führt.
Um die Bedeutung der Lichtanpassung für die normale Funktion der Photorezeptoren zu veranschaulichen, ist folgendes zu bedenken. Damit Stäbchen-Photorezeptoren minimale Lichtreize registrieren können, muss in der Rhodopsin-Transducin-PDE-Kaskade ein hohes Maß an Signalverstärkung erreicht werden. Zum Beispiel werden beim Höhepunkt der Reaktion der Krötenstäbchen auf ein einzelnes Photon, der ∼1 s nach der Photonenabsorption auftritt, ∼5 % der offenen, lichtempfindlichen Kanäle geschlossen. Dies bedeutet, dass bei einer gleichmäßigen Beleuchtung mit nur ∼100 Photonen pro Sekunde alle Kanäle geschlossen würden, so dass die Zelle auf weitere Lichtreize nicht mehr reagieren würde. Da sich die Stäbchen jedoch an das Licht anpassen, wird diese Sättigung vermieden, bis die Umgebungsbeleuchtung eine Photoneneinfangrate von ∼10.000 Photonen pro Sekunde erzeugt. Bei den Zapfen ist der Effekt der Anpassung sogar noch ausgeprägter: Sie erreichen praktisch nie eine Sättigung.
Der Übergang zwischen dem dunkel- und dem lichtadaptierten Zustand des Photorezeptors geht mit zwei bedeutenden Veränderungen der physiologischen Eigenschaften der Photorezeptoren einher. Erstens sind lichtangepasste Photorezeptoren weniger lichtempfindlich, was verhindert, dass sie bei hohen Lichtintensitäten erblinden. Zweitens erzeugen lichtangepasste Photorezeptoren schnellere Photoreaktionen, wodurch sich die zeitliche Auflösung im visuellen System verbessert. Auf diese beiden Merkmale wurde der Begriff „Lichtanpassung“ am häufigsten angewandt, und die vorherrschende Meinung in der Literatur legt nahe, dass die Ca2+-Rückkopplungssysteme beiden zugrunde liegen. Ein immens wichtiger Beitrag von Nikonov et al. 2000 besteht darin, diese Ansicht in Frage zu stellen. Die Autoren untersuchten den Prozess der Lichtadaptation in Stäbchenphotorezeptoren des Salamanders und erbrachten den experimentellen Nachweis, dass sowohl die Desensibilisierung der Photorezeptoren als auch die Beschleunigung der Reaktion weitgehend unabhängig von Ca2+-Rückkopplungen sind. Stattdessen resultieren sie aus der erhöhten PDE-Aktivität, die durch eine konstante Hintergrundbeleuchtung verursacht wird.
Eine Auswirkung der konstanten PDE-Aktivierung auf die absolute Reaktionsempfindlichkeit ist recht einfach. Da die absolute Empfindlichkeit der Reaktion proportional zur absoluten Anzahl der vor dem Blitzlicht geöffneten Kanäle ist, führt die Verringerung der Anzahl offener Kanäle durch die ständige Beleuchtung automatisch zu einer Kompression der Reaktionsamplitude. Die Kompression der Antwort ist jedoch nur ein relativ kleiner Teil der Gesamtwirkung der ständigen PDE-Aktivierung. Die Hauptursache für die Verringerung der Blitzempfindlichkeit liegt in der Beschleunigung der Signalwiederherstellung durch die PDE-Aktivierung. Formal gesehen ist diese Beschleunigung darauf zurückzuführen, dass die Zeitkonstante der Reaktion, die die blitzinduzierte cGMP-Änderung bestimmt, umgekehrt proportional zur spezifischen PDE-Aktivität pro Zytoplasma-Volumen ist. Diese Zeitkonstante ist genau die gleiche Zeitkonstante, die den Umsatz des gesamten zytoplasmatischen cGMP-Pools unter den gleichen Beleuchtungsbedingungen steuert.
Das letztgenannte Konzept ist nicht intuitiv, und Nikonov et al. 2000 stellen in der Diskussion ihrer Arbeit eine hydrodynamische „Badewannen“-Analogie zur Verfügung, um diesen Effekt zu veranschaulichen. Wir stellen eine weitere Analogie vor, die dem Leser, der mit den Eigenschaften elektrischer Schaltkreise vertraut ist, gefallen könnte. Betrachten wir einen elektrischen Schaltkreis, der aus einem variablen Widerstand, einem Kondensator und einer Konstantstromquelle besteht. Die Spannung (V) am Kondensator stellt die cGMP-Konzentration dar. Der Strom (i), der den Kondensator (C) auflädt, repräsentiert die cGMP-Syntheserate durch Guanylylzyklase (α, nach Nikonov et al. 2000), während der Kondensator das Zellvolumen darstellt. Die PDE-Aktivität wird durch den variablen Widerstand (R(I)) dargestellt, der durch Licht (I) reguliert wird. Die Leitfähigkeit des Widerstands, 1/R, entspricht der Summe aus der dunklen basalen PDE-Aktivität und der lichtstimulierten PDE-Aktivität. Die Spannung über dem Kondensator wird durch das Gleichgewicht zwischen dem Stromzufluss im Stromkreis und dem Leckstrom durch den Widerstand bestimmt. Die Gleichungen, die die Änderungen der Spannung im Stromkreis beschreiben, sind identisch mit denen, die die Dynamik der cGMP-Konzentration im Stäbchen beschreiben.
In dieser Analogie wird eine Blitzreaktion durch die Einführung einer kurzen, vorübergehenden Abnahme von R(I) dargestellt. Dadurch sinkt die Spannung auf ein bestimmtes Niveau und kehrt dann exponentiell mit einer Zeitkonstante τ = RC auf das konstante Niveau zurück. Da 1/RC dem Verhältnis der Steady-State-Aktivität der PDE zum Zytoplasma-Volumen (β, nach Nikonov et al. 2000) entspricht, stellt RC die Zeitkonstante des Austauschs des zytoplasmatischen cGMP-Pools dar. Es ist klar, dass eine höhere konstante PDE-Aktivität diese Zeitkonstante verringert und zu einer schnelleren Erholung von cGMP auf sein Ausgangsniveau führt. Nikonov et al. 2000 zeigen, dass dieser zweite kinetische Effekt der konstanten PDE-Aktivität vor dem Blitz der Hauptfaktor ist, der für die Beschleunigung der Photoresponse während der Lichtadaptation verantwortlich ist. Da der Schaltkreis linear ist, ist der zeitliche Verlauf der Erholung der „Blitz“-Reaktion unabhängig vom konstanten Wert des Stroms i. Änderungen von i skalieren einfach die Amplitude der Spannungsreaktion (cGMP), ohne deren charakteristische Erholungszeit zu verändern. Somit hat die Höhe der stationären Zyklaseaktivität, i in dieser Analogie, keinen Einfluss auf die Geschwindigkeit der Erholung der Photoreaktion.
Die beschleunigte Erholung bedeutet, dass sich die Blitzantwort über einen kürzeren Zeitraum entwickelt, und dies verringert die Empfindlichkeit gegenüber einem Blitz, der einen stationären Hintergrund überlagert. Die PDE-Aktivierung im stationären Zustand verringert also die Empfindlichkeit des Photorezeptors durch die kombinierte Wirkung der Verringerung des Anteils offener Kanäle und der Verkürzung der Photoreaktionszeit. Mit eleganten Experimenten konnten Nikonov et al. 2000 den Grad der PDE-Aktivierung durch gleichmäßiges Hintergrundlicht quantifizieren. Sie zeigen, dass von der ∼100-fachen Verringerung der Blitzempfindlichkeit, die bei ihren hellsten Hintergrundintensitäten beobachtet wurde (siehe Abb. 6 in Nikonov et al. 2000), das ∼5-fache auf die Kompression der Reaktion und das ∼15-fache auf den kinetischen Effekt der PDE-Aktivierung zurückzuführen ist, wobei der Rest wahrscheinlich auf die Wirkung von Recoverin auf die aktivierte Rhodopsin-Lebensdauer zurückzuführen ist.
Nachdem wir den größten Teil der Verringerung der Photorezeptorempfindlichkeit und der Beschleunigung der Photoreaktion auf die erhöhte PDE-Aktivität vor dem Blitzlicht zurückführen, stellt sich die Frage: Welche Rolle spielt die Ca2+-Rückkopplung bei der Lichtadaptation? Die Antwort liegt auf der Hand, wenn wir uns vor Augen halten, dass die durch das Hintergrundlicht erzeugte konstante PDE-Aktivität einen erheblichen Anstieg der hydrolytischen cGMP-Aktivität bewirkt. Gäbe es keine kompensierenden Mechanismen, würde die cGMP-Konzentration selbst bei mäßiger Hintergrundbeleuchtung drastisch sinken, so dass schließlich keine Kanäle mehr offen wären, um weitere Lichtveränderungen zu registrieren. Die wichtigste Rolle von Ca2+ bei der Lichtanpassung besteht also darin, dieser Sättigung entgegenzuwirken, indem eine Reihe von molekularen Mechanismen in Gang gesetzt werden, die letztlich zur Wiederöffnung der Kanäle und damit zur Erweiterung des Bereichs der Lichtintensitäten führen, in dem der Photorezeptor arbeitet (siehe Pugh et al. 1999 für Referenzen und eine ausführliche Diskussion).
Die wichtigste bereichserweiternde Wirkung von Ca2+ wird durch eine Rückkopplung auf die Guanylylzyklase über die Ca2+-bindenden Proteine, die so genannten Guanylylzyklase-aktivierenden Proteine, vermittelt. Der lichtabhängige Ca2+-Rückgang bewirkt einen Anstieg der cGMP-Syntheserate, der der erhöhten PDE-Aktivität bei Hintergrundbeleuchtung entgegenwirkt. Dieser Effekt des konstanten Hintergrundlichts sollte nicht mit der dynamischen Ca2+-Rückkopplung auf die Guanylylzyklase während der Blitzantwort verwechselt werden, die die Erholung der Blitzantwort beschleunigt. Nikonov et al. 2000 argumentieren, dass die Wirkung der dynamischen Zyklase-Aktivierung kaum von den Hintergrundlichtbedingungen abhängt und daher nicht als wichtiger Faktor bei der Lichtanpassung angesehen werden sollte.
Die zweite reichweitenerweiternde Wirkung von Ca2+ zielt direkt auf die cGMP-gesteuerten Kanäle ab. Der Ca2+-Rückgang bewirkt, dass die Kanäle empfindlicher auf cGMP reagieren, so dass sie bei niedrigeren cGMP-Konzentrationen arbeiten. Dieser Effekt wird wahrscheinlich durch Calmodulin oder Calmodulin-ähnliche Proteine vermittelt und scheint in Zapfen stärker ausgeprägt zu sein als in Stäbchen (Rebrik et al. 2000). Beide Effekte führen zur Wiederöffnung von cGMP-gesteuerten Kanälen bei gleichmäßiger Beleuchtung, ohne dass sie desensibilisierend wirken; stattdessen resensibilisieren sie den Photorezeptor.
Die dritte Ca2+-Rückkopplung unterscheidet sich von den anderen, da sie sowohl eine Reichweitenverlängerung bewirkt als auch zur Desensibilisierung der Zelle beiträgt. Ein Ca2+-Rückgang verstärkt die Phosphorylierung des Rhodopsins durch das Ca2+-bindende Protein Recoverin, was zu einer Verringerung der Lebensdauer des aktivierten Rhodopsins führt. Dies führt zu einer Desensibilisierung, da sich die Zahl der von jedem Rhodopsin aktivierten PDE-Moleküle verringert. Der Arbeitsbereich wird ebenfalls erweitert, da die verringerte Anzahl aktiver PDEs zu einer geringeren stetigen cGMP-Hydrolyse führt. Sowohl Nikonov et al. als auch andere von den Autoren besprochene neuere Literatur zeigen, dass dieser Mechanismus in Stäben viel weniger wirksam zu sein scheint als die Rückkopplung auf die Guanylylzyklase.
Ein weiteres wichtiges Ergebnis in ihrem Artikel ist, dass es keinen Hinweis auf einen vierten vorgeschlagenen Ca2+-Rückkopplungsmechanismus gibt, die adaptive Regulierung der Verstärkung in der Kaskade zwischen Rhodopsin-Aktivierung und Kanalschließung. Lamb und Pugh 1992 entwickelten eine Methode zur Abschätzung der Verstärkung in der Phototransduktionskaskade aus der Analyse der anfänglichen Anstiegsphase der Blitzantwort. Später zeigten andere Untersuchungen, die von Nikonov et al. 2000 erörtert wurden, dass diese Steigung bei Blitzen, die bei Hintergrundbeleuchtung oder bei künstlich reduziertem intrazellulärem Ca2+ in der Dunkelheit dargeboten wurden, geringer war. In der aktuellen Arbeit zeigen Nikonov et al. 2000, dass bei Hintergrundlichtintensitäten, die bis zu 80 % der lichtempfindlichen Kanäle schließen und zu einer ungefähr fünffachen Verringerung des intrazellulären Ca2+ führen, die anfängliche Anstiegsphase der Blitzreaktionen in der Tat nicht verändert wird. Sie schlussfolgern, dass die in der Literatur beschriebene scheinbare Verringerung der durch Hintergrundlicht oder vermindertes intrazelluläres Ca2+ induzierten Verstärkung wahrscheinlich auf das erhöhte konstante Niveau der PDE-Aktivität und die erhöhte Rate des photoerregten Rhodopsin-Löschens zurückzuführen ist, die dazu führen, dass die Photoreaktion zu sehr frühen Zeitpunkten von einer unveränderlichen Anfangstrajektorie abweicht.
Nikonov und Kollegen vertreten nun die Ansicht, dass die Ca2+-Rückkopplung bei der Lichtadaptation fast ausschließlich dazu dient, die Empfindlichkeit der Photorezeptoren zu erhöhen, und nicht als Mechanismus zur Desensibilisierung der Photorezeptoren. Obwohl dies paradox klingen mag, war die sensibilisierende Wirkung der durch Ca2+-Rückkopplung vermittelten Reichweitenerweiterung bereits in den ersten Veröffentlichungen ersichtlich, in denen die Bedeutung der lichtinduzierten Ca2+-Abnahme für die Lichtadaptation nachgewiesen wurde (Matthews et al. 1988; Nakatani und Yau 1988). In diesen Studien führte die Hemmung der Ca2+-Rückkopplung bei gleichmäßiger Hintergrundbeleuchtung zu einer katastrophalen Verringerung der Blitzempfindlichkeit. Die Ca2+-Rückkopplung verhinderte diesen Empfindlichkeitsverlust weitgehend und erweiterte den Arbeitsbereich des Photorezeptors um das ∼100-fache (siehe Abbildung 2 in Matthews et al. 1988). Die Eleganz des Artikels von Nikonov et al. 2000 besteht darin, dass sie einen klaren Weg gefunden haben, die Rolle sowohl der desensibilisierenden als auch der sensibilisierenden Mechanismen im gesamten Anpassungsprozess zu entflechten.
Dies bringt uns zurück zur Definition der Lichtanpassung in Photorezeptoren. Wie bereits erwähnt, wird die Adaptation gewöhnlich als eine Kombination aus Desensibilisierung der Zellen und Beschleunigung der Reaktion definiert. Die Logik von Nikonov et al. 2000 legt nahe, dass es notwendig ist, Anpassung neu zu definieren, um drei miteinander verbundene Phänomene zu erfassen: Desensibilisierung der Zellen, Beschleunigung der Reaktion und Erweiterung des Aktionsradius. Einzelne molekulare Mechanismen können zu einem oder mehreren dieser drei Merkmale beitragen. Wie von Pugh und Kollegen 1999 beschrieben, beinhaltet die Desensibilisierung bei Stäbchen einen Anstieg der stetigen cGMP-Hydrolyse, eine Signalkompression und eine Verringerung der Lebensdauer von Rhodopsin durch Ca2+/Recoverin. Die Reaktionsbeschleunigung beinhaltet eine erhöhte stetige cGMP-Hydrolyse und eine Abnahme der Rhodopsin-Lebensdauer. Die Reichweitenverlängerung beinhaltet drei Ca2+-abhängige Prozesse: eine Zunahme der cGMP-Synthese, eine Zunahme der cGMP-Empfindlichkeit der Kanäle und eine Verkürzung der Lebensdauer von photoaktiviertem Rhodopsin.
Nikonov et al. 2000 liefern ein detailliertes mathematisches Modell der Phototransduktion und Lichtadaptation bei Wirbeltieren, das auf praktisch allen bekannten biochemischen Mechanismen beruht. Eine Modellierung dieser Art umfasst natürlich viele Parameter, die bei der Anpassung der Reaktionen viel Raum für Unklarheiten lassen. In diesem und in einem früheren Artikel haben Nikonov und Kollegen (Nikonov et al. 1998, Nikonov et al. 2000) jedoch viele der wichtigsten physiologischen und biochemischen Parameter unabhängig voneinander experimentell geschätzt. Dies schließt eine willkürliche Manipulation der Parameter fast vollständig aus und erhöht die Robustheit der aus dem Modell gezogenen Schlussfolgerungen.
Was bleibt nach der quantitativen Beschreibung der Phototransduktion und der Lichtadaptation, die Nikonov et al. liefern, noch unbekannt? Wir geben hier die folgenden drei Beispiele. Erstens: Obwohl Nikonov et al. unter ihren Versuchsbedingungen keine Hinweise auf eine Regulierung der Phototransduktionsverstärkung gefunden haben, bleibt abzuwarten, ob die Verstärkungsregulierung bei höheren Beleuchtungsniveaus, auf einer längeren Zeitskala oder bei verschiedenen Arten auftritt oder nicht. Sollte dies der Fall sein, würde dies auf die Existenz zusätzlicher biochemischer Mechanismen und molekularer Komponenten hindeuten, die im derzeitigen Schema der Phototransduktion nicht enthalten sind. Zweitens ist wenig über die molekularen Mechanismen bekannt, die der Lichtanpassung in Zapfen zugrunde liegen. Zapfen sind in der Lage, einen größeren Bereich abzudecken als Stäbchen, und es ist praktisch unmöglich, sie mit kontinuierlichem Hintergrundlicht zu sättigen. Zukünftige Studien sollten darauf abzielen, zu verstehen, ob die gesamte Zapfenanpassung durch vielleicht effizientere stäbchenähnliche Anpassungsmechanismen erklärt werden kann, oder ob sie zusätzliche einzigartige Mechanismen erfordert. Drittens ist auf einer höheren Ebene der visuellen Verarbeitung unbekannt, wie die Anpassung einzelner Photorezeptoren zur Anpassung des gesamten visuellen Systems beiträgt. Es bleibt zu klären, wie eine der drei Komponenten der Lichtanpassung der Photorezeptoren, nämlich die Desensibilisierung der Zellen, die Beschleunigung der Reaktion und die Erweiterung des Empfindlichkeitsbereichs, dazu führen kann, dass unser lichtangepasstes Sehen schneller, mit besserer Kontrastempfindlichkeit und höherer räumlicher Auflösung funktioniert.