Maailman pinnan valaistus vaihtelee >10 suuruusluokkaa normaalin vuorokausisyklin aikana, ja selkärankaisten näköjärjestelmä kattaa koko tämän valon intensiteettien vaihteluvälin kahdella neuronaalisella alijärjestelmällä, jotka tukeutuvat kahden erityyppisen fotoreseptorisolun, sauvojen ja käpyjen, toimintaan. Ihmisen sauvasilmä toimii noin seitsemän desimaaliasteikolla valaistuksessa. Käpyjen näköjärjestelmä toimii vielä laajemmalla alueella (Rodieck 1998). Valoon sopeutumista tapahtuu näköjärjestelmän kaikilla tasoilla, fotoreseptoreista keskusneuroneihin. Koko näköjärjestelmän toiminta riippuu kuitenkin itse valoreseptorien kyvystä mukauttaa herkkyyttään ympäristön valaistustilanteeseen. Fotoreseptoreiden on siis tuotettava luotettavia signaaleja yöllä, kun yksittäisiä fotoneja vangitaan pitkien pimeysjaksojen välissä, ja niiden on jatkettava signaalin antamista myös aurinkoisena päivänä esiintyvillä erittäin suurilla valonvoimakkuuksilla. Fotoreseptoreiden valosopeutumista välittävät todennäköisesti useat ja ehkä redundantit molekyylimekanismit (Detwiler ja Gray-Keller 1992; Lagnado ja Baylor 1992; Bownds ja Arshavsky 1995; Pugh ym. 1999). Pugh ym. 1999 tekivät hiljattain yhteenvedon yhdeksästä yksittäisestä molekyylimekanismista, joiden uskotaan osallistuvan sopeutumiseen, ja keskustelivat niiden suhteellisesta osuudesta koko sopeutumisprosessiin. Sivulla 795 julkaistussa samojen kirjoittajien tutkimuksessa (Nikonov ym. 2000, tässä numerossa) annetaan kokeellista tukea heidän näkemyksilleen ja kehitetään edelleen teoreettista viitekehystä, joka vaikuttaa tuleviin valoreseptorien valoon sopeutumista koskeviin tutkimuksiin.
Valosopeutumisen taustalla olevia molekyylimekanismeja voidaan käsitellä valoreseptorin sytoplasman cGMP:tä säätelevien reaktioiden yhteydessä (Hodgkin ja Nunn 1988):
CGMP:n solunsisäinen pitoisuus määräytyy guanyylylisyklaasin suorittaman synteesin nopeuden ja cGMP:n fosfodiesteraasin (PDE, phosphodiesterase, cGMP phosphodiesterase, PDE) suorittaman hydrolyysin nopeuden mukaan. Tätä pitoisuutta valvovat jatkuvasti valoreseptorin plasmakalvolla sijaitsevat cGMP-portatut kanavat. Pimeään sopeutuneessa valoreseptorissa cGMP:n pitoisuus on tasaisesti muutama mikromolaari. Tämä pitää osan ulomman plasmakalvon cGMP-ohjatuista kationikanavista auki ja solun depolarisoituneena. Valo saa cGMP:n laskemaan aktivoimalla PDE:n entsymaattisen kaskadin kautta, johon kuuluvat valoaktivoitunut rodopsiini, transduktiiniksi kutsuttu G-proteiini ja efektorientsyymi PDE. cGMP-pitoisuuden lasku johtaa kanavan sulkeutumiseen ja valoreseptorin hyperpolarisaatioon. Valovasteen palautuminen tapahtuu, kun eksitatorinen kaskadi inaktivoituu, guanylylisyklaasi palauttaa cGMP-tason ja kanavat avautuvat uudelleen. Fotoresponssin aikana myös solunsisäinen Ca2+-pitoisuus laskee, koska sen pääsy cGMP-portoitujen kanavien kautta estyy, kun taas plasmakalvossa sijaitseva Na2+/Ca2+-K+, -vaihtomolekyyli jatkaa sen poistumista. Juuri tämä Ca2+:n lasku on todettu tärkeimmäksi valoon sopeutumisen taustalla olevaksi tekijäksi, koska se johtaa fototransduktiokaskadin eri komponenttien takaisinsäätelyyn.
Valoon sopeutumisen merkityksen havainnollistamiseksi valoreseptorin normaalille toiminnalle tarkastellaan seuraavaa. Jotta sauvojen fotoreseptorit voisivat rekisteröidä minimaaliset valoärsykkeet, rodopsiini-transduktiini-PDE-kaskadissa on saavutettava korkea signaalin vahvistusaste. Esimerkiksi rupikonnan sauvojen vasteen huipulla yksittäiseen fotoniin, joka tapahtuu ∼1 s fotonin absorboitumisen jälkeen, ∼5 % avoimista, valolle herkistä kanavista sulkeutuu. Tämä tarkoittaa, että tasainen valaistus, joka tuottaa vain ∼100 fotonia sekunnissa, sulkee kaikki kanavat, jolloin solu ei enää reagoi valostimulaatioon. Koska sauvat kuitenkin sopeutuvat valoon, tämä kyllästyminen vältetään, kunnes ympäristön valaistus tuottaa ∼10 000 fotonia sekunnissa. Adaptaation vaikutus on vielä syvällisempi kävyissä: ne eivät käytännössä koskaan kyllästy.
Valoreseptorin pimeään ja valoon sopeutuneen tilan väliseen siirtymiseen liittyy kaksi merkittävää muutosta valoreseptorien fysiologisissa ominaisuuksissa. Ensinnäkin valoon sopeutuneet fotoreseptorit ovat vähemmän herkkiä valolle, mikä estää niitä sokeutumasta suurilla valon intensiteettitasoilla. Toiseksi valoon sopeutuneet fotoreseptorit tuottavat nopeampia fotoreseptoreita, mikä parantaa näköjärjestelmän ajallista erottelukykyä. Näihin kahteen ominaisuuteen on useimmiten sovellettu termiä ”valoon sopeutuminen”, ja kirjallisuudessa vallitsevan näkemyksen mukaan Ca2+ -palautejärjestelmät ovat molempien taustalla. Yksi Nikonovin ja muiden vuonna 2000 julkaisemien tutkimusten valtavan tärkeä panos on tämän näkemyksen kyseenalaistaminen. Kirjoittajat tutkivat valoon sopeutumisen prosessia salamanterin sauvojen fotoreseptoreissa ja esittävät kokeellista näyttöä siitä, että sekä fotoreseptorin desensitisaatio että vasteen nopeutuminen ovat suurelta osin riippumattomia Ca2+ -palautteesta. Sen sijaan ne johtuvat tasaisen taustavalaistuksen aiheuttamasta kohonneesta PDE-aktiivisuudesta.
Yksi tasaisen PDE-aktivoitumisen vaikutus absoluuttiseen vasteen herkkyyteen on melko suoraviivainen. Koska vasteen absoluuttinen herkkyys on verrannollinen ennen välähdystä avoinna olevien kanavien absoluuttiseen lukumäärään, tasaisen valaistuksen aiheuttama avointen kanavien lukumäärän väheneminen johtaa automaattisesti vasteen amplitudin puristumiseen. Vasteen pakkautuminen on kuitenkin suhteellisen pieni osa tasaisen PDE-aktivoinnin kokonaisvaikutuksesta. Vilkkuherkkyyden vähenemisen pääasiallinen lähde johtuu PDE-aktivoinnin aiheuttamasta signaalin palautumisen nopeutumisesta. Muodollisesti tämä kiihtyvyys johtuu siitä, että välähdyksen aiheuttamaa cGMP:n muutosta säätelevän reaktion aikavakio on kääntäen verrannollinen spesifiseen PDE-aktiivisuuteen sytoplasman tilavuutta kohti. Tämä aikavakio on täsmälleen sama aikavakio, joka säätelee koko cGMP:n sytoplasman poolin vaihtumista samoissa valaistusolosuhteissa.
Viimeinen käsite ei ole intuitiivinen, ja Nikonov et al. 2000 esittävät hydrodynaamisen ”kylpyamme”-analogian havainnollistamaan tätä vaikutusta artikkelinsa keskustelussa. Esitämme toisen analogian, joka saattaa miellyttää lukijaa, joka on perehtynyt sähköpiirien ominaisuuksiin. Tarkastellaan sähköpiiriä, joka koostuu muuttuvasta vastuksesta, kondensaattorista ja vakiovirtalähteestä. Kondensaattorin yli oleva jännite (V) edustaa cGMP-pitoisuutta. Virta (i), joka lataa kondensaattorin (C), edustaa guanylyylisyklaasin cGMP-synteesin nopeutta (α, Nikonov et al. 2000 mukaan), kun taas kondensaattori edustaa solun tilavuutta. PDE-aktiivisuutta edustaa muuttuva vastus (R(I)), jota säätelee valo (I). Vastuksen johtavuus 1/R edustaa pimeän perus-PDE-aktiivisuuden ja valon stimuloiman PDE-aktiivisuuden summaa. Kondensaattorin yli oleva jännite määräytyy piiriin tulevan virran ja vastuksen kautta tapahtuvan vuodon välisen tasapainon perusteella. Yhtälöt, jotka kuvaavat jännitteen muutoksia piirissä, ovat identtiset niiden yhtälöiden kanssa, jotka kuvaavat sauvan cGMP-konsentraation dynamiikkaa.
Tässä analogiassa välähdysvaste edustaa lyhytaikaista, ohimenevää laskua R(I):ssä. Tämä aiheuttaa jännitteen laskun tietylle tasolle, minkä jälkeen se palaa eksponentiaalisesti takaisin tasaiselle tasolle aikavakion τ = RC kanssa. Koska 1/RC vastaa PDE:n vakaan tilan aktiivisuuden suhdetta sytoplasman tilavuuteen (β, Nikonov et al. 2000 mukaan), RC edustaa sytoplasman sytoplasman cGMP-varaston vaihdon aikavakion. Tällöin on selvää, että korkeampi tasainen PDE-aktiivisuus pienentää tätä aikavakion arvoa ja johtaa cGMP:n nopeampaan palautumiseen perustasolleen. Nikonov ym. 2000 osoittavat, että tämä vakaan valoa edeltävän PDE-aktiivisuuden toinen kineettinen vaikutus on päätekijä, joka on vastuussa fotoresponssin nopeutumisesta valoon sopeutumisen aikana. On tärkeää huomata, että koska virtapiiri on lineaarinen, ”välähdys”-vasteen palautumisen aikakäyrä on riippumaton virran i tasaisesta arvosta. Muutokset i:ssä yksinkertaisesti skaalaavat jännite- (cGMP-) vasteen amplitudia muuttamatta sen tyypillistä palautumisaikaa. Näin ollen vakaan tilan syklaasiaktiivisuuden tasolla, i tässä analogiassa, ei ole mitään vaikutusta fotoresponssin palautumisnopeuteen.
Nopeutettu palautuminen tarkoittaa, että välähdysvaste kehittyy lyhyemmässä ajassa, ja tämä vähentää herkkyyttä tasaisen taustan päälle asetetulle välähdykselle. Siten PDE:n aktivoituminen tasaisessa tilassa vähentää valoreseptorin herkkyyttä yhdistetyin vaikutuksin vähentämällä avoimien kanavien osuutta ja lyhentämällä fotoresponssia lyhyeksi. Tyylikkäät kokeet mahdollistivat sen, että Nikonov et al. 2000 pystyivät kvantifioimaan PDE:n aktivoitumisen asteen tasaisen taustavalon vaikutuksesta. He osoittavat, että heidän havaitsemastaan ∼100-kertaisesta välähdysherkkyyden vähenemisestä kirkkaimmilla taustavoimakkuuksilla (ks. Nikonov ym. 2000:n kuva 6) ∼5-kertainen vähennys johtuu vasteen tihentymisestä ja ∼15-kertainen PDE:n aktivoitumisen kineettisestä vaikutuksesta, ja jäljelle jäävä osuus johtuu todennäköisesti aktivoituneeseen rodopsiinin elinikään vaikuttavan rekuperiinin vaikutuksesta.
Kun suurin osa fotoreseptorin herkkyyden vähenemisestä ja fotoresponssin nopeutumisesta on johtunut kohonneesta PDE-aktiivisuudesta ennen välähdystä, herää kysymys: mikä rooli Ca2+ -palautteella on valoon sopeutumisessa? Vastaus on selvä, kun pidetään mielessä, että taustavalon tuottama tasainen PDE-aktiivisuus aiheuttaa cGMP:n hydrolyyttisen aktiivisuuden huomattavan lisääntymisen. Jos kompensoivia mekanismeja ei olisi, cGMP-konsentraatio pienenisi dramaattisesti jopa maltillisessa taustavalaistuksessa, jolloin kanavia ei lopulta jäisi auki uusien valomuutosten rekisteröimiseksi. Näin ollen Ca2+:n perustavanlaatuisin tehtävä valoon sopeutumisessa on vastustaa tätä kyllästymistä aktivoimalla useita molekyylimekanismeja, jotka lopulta johtavat kanavien uudelleen avautumiseen ja siten sen valon voimakkuusalueen laajentamiseen, jolla valoreseptori toimii (ks. Pugh ym. 1999, viitteet ja yksityiskohtainen keskustelu).
Ca2+:n tärkein valon voimakkuusaluetta laajentava vaikutus välittyy palautteella, joka kohdistuu guanyylisyklaasiin Ca2+:aa sitovien valkuaisaineproteiinien, niin kutsuttujen guanyylisyklaasia aktivoivien valkuaisaineproteiinien, kautta. Valosta riippuvainen Ca2+ -lasku aiheuttaa cGMP-synteesin nopeuden lisääntymisen, joka kumoaa taustavalaistuksen aikana kohonneen tasaisen PDE-aktiivisuuden. Tätä tasaisen taustavalon vaikutusta ei pidä sekoittaa salamavasteen aikana guanylyylisyklaasiin kohdistuvaan dynaamiseen Ca2+ -palautteeseen, joka nopeuttaa salamavasteen palautumista. Nikonov ym. 2000 väittävät, että dynaamisen syklaasiaktivaation vaikutus vaihtelee vain vähän taustavalo-olosuhteiden mukaan, eikä sitä näin ollen pitäisi pitää tärkeänä tekijänä valoon sopeutumisessa.
Toinen Ca2+:n vaihteluväliä laajentava vaikutus kohdistuu suoraan cGMP-portoitujen kanavien toimintaan. Ca2+:n väheneminen saa kanavat muuttumaan herkemmiksi cGMP:lle, jolloin ne toimivat pienemmällä cGMP-pitoisuudella. Tätä vaikutusta välittävät todennäköisesti kalmoduliini tai kalmoduliinin kaltaiset proteiinit, ja se näyttää olevan merkittävämpi kävyissä kuin sauvoissa (Rebrik ym. 2000). Molemmat näistä vaikutuksista johtavat cGMP-portoitujen kanavien uudelleen avautumiseen tasaisen valaistuksen aikana aiheuttamatta mitään desensitisoivia vaikutuksia; sen sijaan ne uudelleenherkistävät valoreseptoria.
Kolmas Ca2+-palaute eroaa muista, koska se aiheuttaa sekä kantaman pidentymistä että edistää solun desensitisointia. Ca2+-lasku tehostaa rodopsiinin fosforylaatiota Ca2+-sitovan proteiinin recoverinin kautta, mikä johtaa aktivoituneen rodopsiinin eliniän lyhenemiseen. Tämä johtaa desensitisaatioon, koska se vähentää kunkin rodopsiinin aktivoimien PDE-molekyylien määrää. Toiminta-alue myös laajenee, koska aktiivisten PDE-molekyylien vähentynyt määrä johtaa pienempään tasaiseen cGMP-hydrolyysinopeuteen. Sekä Nikonov et al. että muu viimeaikainen kirjallisuus, jota kirjoittajat käsittelevät, osoittavat, että sauvoissa tämä mekanismi näyttää olevan paljon tehottomampi kuin takaisinkytkentä guanyylylisyklaasiin.
Toinen tärkeä tulos, joka raportoidaan heidän artikkelissaan, on se, että ei ole mitään viitteitä neljännestä ehdotetusta Ca2+ -palautemekanismista, joka on vahvistuksen adaptiivinen säätely kaskadin vahvistumisessa rodopsiinin aktivoitumisen ja kanavan sulkeutumisen välillä. Lamb ja Pugh 1992 kehittivät menetelmän fototransduktiokaskadin vahvistuksen arvioimiseksi analysoimalla välähdysvasteiden alkuvaiheen nousuvaihetta. Myöhemmin muut Nikonov et al. 2000:n käsittelemät tutkimukset osoittivat, että tämä kaltevuus pieneni välähdyksissä, jotka esitettiin taustavalaistuksen aikana tai kun solunsisäistä Ca2+ -pitoisuutta vähennettiin keinotekoisesti pimeässä, ja päättelivät, että tämä heijastaa Ca2+ -palautejärjestelmää, joka pienensi kaskadin vahvistusta valoon sopeutumisen aikana. Tässä artikkelissa Nikonov et al. 2000 osoittavat, että taustavalon intensiteeteillä, jotka sulkevat jopa 80 % valoherkistä kanavista ja johtavat noin viisinkertaiseen solunsisäisen Ca2+ -arvon vähenemiseen, välähdysvasteiden hyvin alkuvaiheen nousuvaihe ei itse asiassa muutu. He päättelevät, että kirjallisuudessa kuvattu taustavalon tai alentuneen solunsisäisen Ca2+:n aiheuttaman vahvistumisen näennäinen väheneminen johtuu todennäköisesti PDE-aktiivisuuden lisääntyneestä tasaisesta tasosta ja lisääntyneestä valoherkistetyn rodopsiinin sammumisnopeudesta, jotka aiheuttavat sen, että valovaste irtoaa muuttumattomasta alkuperäisestä liikeradasta hyvin varhain.
Nikonov ja kollegat esittävät nyt näkemyksen, jonka mukaan Ca2+ -palautetta valoon sopeutumisessa käytetään lähes yksinomaan fotoreseptorin herkkyyden lisäämiseen eikä niinkään fotoreseptorin desensitisaatiomekanismina. Vaikka tämä saattaa kuulostaa paradoksaaliselta, Ca2+ -palautteen välittämän kantaman pidentämisen herkistävä vaikutus oli ilmeinen jo ensimmäisistä julkaisuista lähtien, jotka osoittivat valon aiheuttaman Ca2+ -laskun merkityksen valoon sopeutumiselle (Matthews et al. 1988; Nakatani ja Yau 1988). Näissä tutkimuksissa Ca2+ -palautteen estäminen tasaisen taustavalaistuksen aikana aiheutti salamaherkkyyden katastrofaalisen vähenemisen. Ca2+ -palautus esti suurelta osin herkkyyden menetyksen ja pidensi valoreseptorin toiminta-aluetta ∼100-kertaisesti (ks. kuva 2 Matthews ym. 1988). Nikonovin ym. 2000 artikkelin hienous on siinä, että he löysivät selkeän tavan erottaa toisistaan sekä desensitisoivien että herkistävien mekanismien roolit yleisessä adaptaatioprosessissa.
Tämä tuo meidät takaisin valoon sopeutumisen määritelmään valoreseptoreissa. Kuten edellä mainitsimme, adaptaatio määritellään yleensä solun desensitisaation ja vasteen nopeutumisen yhdistelmäksi. Nikonovin et al. 2000 ehdottaa, että sopeutuminen on määriteltävä uudelleen siten, että se käsittää kolme toisiinsa liittyvää ilmiötä: solujen desensitisaatio, vasteen nopeutuminen ja toiminta-alueen laajentaminen. Yksittäiset molekyylimekanismit voivat vaikuttaa yhteen tai useampaan näistä kolmesta ominaisuudesta. Kuten Pugh ja kollegat 1999 esittivät, sauvojen desensitisaatioon liittyy tasaisen cGMP-hydrolyysin lisääntyminen, signaalin tiivistyminen ja Ca2+/recoveriinin aiheuttama rodopsiinin eliniän lyheneminen. Vasteen kiihtymiseen liittyy lisääntynyt tasainen cGMP-hydrolyysi ja rodopsiinin eliniän lyheneminen. Vaihteluvälin pidentämiseen liittyy kolme Ca2+-riippuvaista prosessia: cGMP-synteesin lisääntyminen, kanavien cGMP-herkkyyden lisääntyminen ja valoaktivoituneen rodopsiinin eliniän lyheneminen.
Nikonov ym. 2000 esittävät yksityiskohtaisen matemaattisen mallin selkärankaisten sauvojen fototransduktiosta ja valoon sopeutumisesta, joka pohjautuu käytännöllisesti katsoen kaikkiin hyvin tunnettuihin biokemiallisiin mekanismeihin. Tämänkaltainen mallinnus sisältää luonnollisesti monia parametreja, jotka jättävät paljon tilaa epäselvyyksille vasteita sovitettaessa. Nikonov ja kollegat (Nikonov ym. 1998, Nikonov ym. 2000) ovat kuitenkin tässä ja aiemmassa artikkelissa arvioineet kokeellisesti monia keskeisiä fysiologisia ja biokemiallisia parametreja itsenäisesti. Tämä eliminoi lähes kokonaan parametrien mielivaltaisen manipuloinnin ja lisää mallin perusteella tehtyjen johtopäätösten kestävyyttä.
Nikonovin ym. toimittaman fototransduktiota ja valoon sopeutumista koskevan kvantitatiivisen kuvauksen avulla, mitä jää tuntemattomaksi? Esitämme tässä seuraavat kolme esimerkkiä. Ensinnäkin, vaikka Nikonov et al. eivät löytäneet todisteita fototransduktiovahvistuksen säätelystä heidän koeolosuhteissaan, jää nähtäväksi, tapahtuuko vahvistuksen säätelyä korkeammilla valaistustasoilla, pidemmällä aikaskaalalla tai eri lajeissa. Jos näin tapahtuu, se merkitsisi sellaisten uusien biokemiallisten mekanismien ja molekyylikomponenttien olemassaoloa, jotka eivät sisälly nykyiseen fototransduktiosuunnitelmaan. Toiseksi tiedetään vain vähän niistä molekyylimekanismeista, jotka ovat käpyjen valoon sopeutumisen taustalla. Kävyt pystyvät kattamaan laajemman alueen kuin sauvat, ja niitä on käytännössä mahdotonta kyllästää jatkuvalla taustavalolla. Tulevissa tutkimuksissa olisi pyrittävä ymmärtämään, voidaanko koko käpyjen adaptaatio selittää ehkä tehokkaammilla sauvojen kaltaisilla adaptaatiomekanismeilla vai tarvitaanko siihen lisää ainutlaatuisia mekanismeja. Kolmanneksi, visuaalisen prosessoinnin korkeammalla tasolla ei tiedetä, miten yksittäisten valoreseptorien sopeutuminen vaikuttaa koko näköjärjestelmän sopeutumiseen. Jää vielä selvittämättä, miten jokin valoreseptorien valosopeutumisen kolmesta osatekijästä, solujen desensitisaatio, vasteen nopeuttaminen ja herkkyysalueen laajentaminen, voi aiheuttaa sen, että valoon sopeutunut näkökykymme toimii nopeammin, kontrastiherkkyydeltään paremmalla tavalla ja spatiaaliselta erottelukyvyltään korkeammalla tasolla.