L’éclairement à la surface de la terre varie de >10 ordres de grandeur au cours du cycle normal jour-nuit, et le système visuel des vertébrés couvre toute cette gamme d’intensités lumineuses avec deux sous-systèmes neuronaux qui reposent sur l’activité de deux types de cellules photoréceptrices, les bâtonnets et les cônes. La vision humaine à bâtonnets fonctionne sur environ sept ordres décimaux d’éclairement. Le système visuel à cônes fonctionne sur une plage encore plus large (Rodieck 1998). L’adaptation à la lumière se produit à tous les niveaux du système visuel, des photorécepteurs aux neurones centraux. Pourtant, le fonctionnement de l’ensemble du système visuel dépend de la capacité des photorécepteurs eux-mêmes à ajuster leur sensibilité à la situation d’éclairage ambiante. Ainsi, les photorécepteurs doivent générer des signaux fiables la nuit lorsque des photons uniques sont capturés entre de longs intervalles d’obscurité, et doivent également continuer à émettre des signaux aux très fortes intensités lumineuses rencontrées lors d’une journée ensoleillée. L’adaptation des photorécepteurs à la lumière est probablement médiée par des mécanismes moléculaires multiples et peut-être redondants (Detwiler et Gray-Keller 1992 ; Lagnado et Baylor 1992 ; Bownds et Arshavsky 1995 ; Pugh et al. 1999). Récemment, Pugh et al. 1999 ont résumé neuf mécanismes moléculaires individuels supposés être impliqués dans l’adaptation et ont discuté de leurs contributions relatives à l’ensemble du processus d’adaptation. Une étude des mêmes auteurs, publiée à la page 795 (Nikonov et al. 2000, ce numéro), fournit le support expérimental de leurs intuitions et développe davantage un cadre théorique qui aura un impact sur les études futures de l’adaptation à la lumière des photorécepteurs.
Les mécanismes moléculaires qui sous-tendent l’adaptation à la lumière peuvent être discutés dans le contexte des réactions régissant le GMPc dans le cytoplasme des photorécepteurs (Hodgkin et Nunn 1988) :
La concentration intracellulaire de GMPc est déterminée par le taux de sa synthèse par la guanylyl cyclase et le taux de son hydrolyse par la phosphodiestérase (PDE) du GMPc. Cette concentration est constamment surveillée par les canaux activés par le GMPc situés dans la membrane plasmique des photorécepteurs. Dans le photorécepteur adapté à l’obscurité, une concentration constante de GMPc de quelques micromolécules est maintenue. Cela permet de maintenir une fraction des canaux cationiques de la membrane plasmique externe ouverts et de dépolariser la cellule. La lumière fait chuter la concentration de GMPc en activant la PDE via la cascade enzymatique comprenant la rhodopsine photoactivée, la protéine G appelée transducine et l’enzyme effectrice PDE. La réduction de la concentration de GMPc entraîne la fermeture du canal et l’hyperpolarisation du photorécepteur. La récupération de la réponse à la lumière se produit lorsque la cascade excitatrice est inactivée, que le niveau de GMPc est rétabli par la guanylyl cyclase et que les canaux se rouvrent. Au cours de la photoréponse, la concentration intracellulaire de Ca2+ diminue également car son entrée par les canaux gérés par le GMPc est bloquée tandis qu’il continue d’être extrudé par une molécule d’échange Na2+/Ca2+-K+, située dans la membrane plasmique. C’est ce déclin du Ca2+ qui a été impliqué comme le principal facteur sous-jacent à l’adaptation à la lumière, car il conduit à la régulation en retour de divers composants de la cascade de phototransduction.
Pour illustrer l’importance de l’adaptation à la lumière pour la fonction normale des photorécepteurs, considérons ce qui suit. Pour que les photorécepteurs à bâtonnets enregistrent des stimuli lumineux minimes, un haut degré d’amplification du signal doit être atteint dans la cascade rhodopsine-transducine-PDE. Par exemple, au pic de la réponse des bâtonnets de crapauds à un photon unique, qui se produit ∼1 s après l’absorption du photon, ∼5% des canaux sensibles à la lumière ouverts se ferment. Cela implique qu’une illumination constante délivrant seulement ∼100 photons par seconde fermerait tous les canaux, rendant la cellule insensible à toute autre stimulation lumineuse. Mais comme les bâtonnets s’adaptent à la lumière, cette saturation est évitée jusqu’à ce que l’illumination ambiante produise un taux de capture de photons de ∼10 000 photons par seconde. L’effet de l’adaptation est encore plus profond chez les cônes : ils ne saturent pratiquement jamais.
La transition entre l’état de photorécepteur adapté à l’obscurité et celui adapté à la lumière s’accompagne de deux changements importants dans les propriétés physiologiques des photorécepteurs. Premièrement, les photorécepteurs adaptés à la lumière sont moins sensibles à la lumière, ce qui les empêche de devenir aveugles à des niveaux d’intensité lumineuse élevés. Deuxièmement, les photorécepteurs adaptés à la lumière produisent des photoréponses plus rapides, ce qui améliore la résolution temporelle du système visuel. C’est à ces deux caractéristiques que le terme « adaptation à la lumière » a été le plus souvent appliqué, et l’opinion dominante dans la littérature suggère que les systèmes de rétroaction Ca2+ sont à la base des deux. L’une des contributions immensément importantes de Nikonov et al. 2000 est de remettre en question ce point de vue. Les auteurs ont examiné le processus d’adaptation à la lumière dans les photorécepteurs à bâtonnets de la salamandre et ont fourni des preuves expérimentales que la désensibilisation des photorécepteurs et l’accélération de la réponse sont largement indépendantes de la rétroaction du Ca2+. Ils résultent plutôt de l’activité élevée de la PDE causée par un éclairage de fond constant.
Un effet de l’activation constante de la PDE sur la sensibilité absolue de la réponse est assez simple. Puisque la sensibilité absolue de la réponse est proportionnelle au nombre absolu de canaux ouverts avant le flash, la réduction du nombre de canaux ouverts causée par l’illumination constante conduit automatiquement à une compression de l’amplitude de la réponse. Cependant, la compression de la réponse ne représente qu’une partie relativement faible de l’effet total de l’activation continue des PDE. La principale source de réduction de la sensibilité du flash est due à l’accélération de la récupération du signal causée par l’activation de la PDE. Formellement, cette accélération se produit parce que la constante de temps de la réaction régissant le changement de GMPc induit par le flash est inversement proportionnelle à l’activité PDE spécifique par volume cytoplasmique. Cette constante de temps est exactement la même que celle qui régit le renouvellement de l’ensemble du pool cytoplasmique de GMPc dans les mêmes conditions d’illumination.
Ce dernier concept n’est pas intuitif, et Nikonov et al. 2000 fournissent une analogie hydrodynamique de « baignoire » pour illustrer cet effet dans la discussion de leur article. Nous proposons une autre analogie qui pourrait intéresser le lecteur familier avec les propriétés des circuits électriques. Considérons un circuit électrique composé d’une résistance variable, d’un condensateur et d’une source de courant constant. La tension (V) aux bornes du condensateur représente la concentration de GMPc. Le courant (i) qui charge le condensateur (C) représente la vitesse de synthèse du GMPc par la guanylyl cyclase (α, selon Nikonov et al. 2000), tandis que le condensateur représente le volume cellulaire. L’activité de la PDE est représentée par la résistance variable (R(I)), qui est régulée par la lumière (I). La conductivité de la résistance, 1/R, représente la somme de l’activité PDE basale dans l’obscurité et de l’activité PDE stimulée par la lumière. La tension aux bornes du condensateur est déterminée par l’équilibre entre le courant entrant dans le circuit et la fuite à travers la résistance. Les équations qui décrivent les changements de la tension dans le circuit sont identiques à celles qui décrivent la dynamique de la concentration de GMPc dans le bâtonnet.
Dans cette analogie, une réponse éclair est représentée par l’introduction d’une brève diminution transitoire de R(I). Cela fait chuter la tension jusqu’à un certain niveau, puis elle revient de manière exponentielle au niveau stable avec une constante de temps τ = RC. Comme 1/RC est équivalent au rapport entre l’activité de la PDE à l’état stable et le volume cytoplasmique (β, selon Nikonov et al. 2000), RC représente la constante de temps de l’échange du pool cytoplasmique de GMPc. Il est alors clair qu’une activité PDE stable plus élevée réduit cette constante de temps et conduit à une récupération plus rapide du GMPc à son niveau de base. Nikonov et al. 2000 démontrent que ce second effet cinétique de l’activité PDE constante avant le flash est le principal facteur responsable de l’accélération de la photoréponse pendant l’adaptation à la lumière. Il est important de noter qu’étant donné que le circuit est linéaire, le temps de récupération de la réponse « flash » est indépendant de la valeur stable du courant i. Les changements de i mettent simplement à l’échelle l’amplitude de la réponse en tension (GMPc) sans altérer son temps de récupération caractéristique. Ainsi, le niveau de l’activité cyclasique à l’état stable, i dans cette analogie, n’a aucune incidence sur la vitesse de récupération de la photoréponse.
L’accélération de la récupération signifie que la réponse au flash se développe sur une période de temps plus courte, ce qui réduit la sensibilité à un flash superposé à un fond stable. Ainsi, l’activation des PDE à l’état stable réduit la sensibilité du photorécepteur par les effets combinés de la réduction de la fraction des canaux ouverts et de la brièveté de la photoréponse. Des expériences élégantes ont permis à Nikonov et al. 2000 de quantifier le degré d’activation des PDE par des lumières de fond stables. Ils montrent que, sur la réduction de ∼100 fois de la sensibilité au flash observée avec leurs intensités de fond les plus brillantes (voir la figure 6 de Nikonov et al. 2000), ∼5 fois est due à la compression de la réponse et ∼15 fois est due à l’effet cinétique de l’activation de la PDE, le résidu étant probablement dû à l’effet de la récupérine agissant sur la durée de vie de la rhodopsine activée.
Ayant attribué la majeure partie de la réduction de la sensibilité des photorécepteurs et l’accélération de la photoréponse à l’activité élevée des PDE avant le flash, la question se pose : quel rôle joue la rétroaction Ca2+ dans l’adaptation à la lumière ? La réponse est claire lorsque nous gardons à l’esprit que l’activité PDE constante produite par la lumière de fond entraîne une augmentation substantielle de l’activité hydrolytique du GMPc. S’il n’y avait pas de mécanismes compensatoires, la concentration de GMPc serait considérablement réduite, même sous un éclairage de fond modéré, ce qui finirait par ne laisser aucun canal ouvert pour enregistrer d’autres changements de lumière. Ainsi, le rôle le plus fondamental du Ca2+ dans l’adaptation à la lumière est de s’opposer à cette saturation en engageant un certain nombre de mécanismes moléculaires qui conduisent finalement à la réouverture des canaux et, par conséquent, à l’extension de la gamme d’intensités lumineuses sur laquelle le photorécepteur fonctionne (voir Pugh et al. 1999 pour les références et une discussion détaillée).
Le principal effet d’extension de la gamme du Ca2+ est médié par une rétroaction sur la guanylyl cyclase à travers les protéines de liaison au Ca2+ appelées protéines d’activation de la guanylyl cyclase. La diminution du Ca2+ en fonction de la lumière entraîne une augmentation du taux de synthèse du GMPc qui contrebalance l’activité PDE élevée et constante pendant l’éclairage de fond. Cet effet de l’éclairage de fond constant ne doit pas être confondu avec la rétroaction dynamique du Ca2+ sur la guanylyl cyclase pendant la réponse au flash qui accélère la récupération de la réponse au flash. Nikonov et al. 2000 soutiennent que l’effet de l’activation dynamique de la cyclase varie peu avec les conditions d’éclairage de fond et, par conséquent, ne doit pas être considéré comme un facteur important de l’adaptation à la lumière.
Le deuxième effet d’extension de gamme du Ca2+ cible directement les canaux gérés par le cGMP. La baisse du Ca2+ rend les canaux plus sensibles au cGMP, de sorte qu’ils fonctionnent à une concentration plus faible de cGMP. Cet effet est probablement médié par la calmoduline ou des protéines similaires à la calmoduline, et semble être plus important dans les cônes que dans les bâtonnets (Rebrik et al. 2000). Ces deux effets conduisent à la réouverture des canaux gérés par le GMPc pendant l’illumination stable sans provoquer d’effets désensibilisants ; au contraire, ils resensibilisent le photorécepteur.
La troisième rétroaction Ca2+ diffère des autres car elle provoque à la fois une extension de la portée et contribue à la désensibilisation de la cellule. La baisse du Ca2+ renforce la phosphorylation de la rhodopsine par l’intermédiaire de la protéine de liaison au Ca2+, la recoverine, ce qui entraîne une diminution de la durée de vie de la rhodopsine activée. Cela entraîne une désensibilisation car cela réduit le nombre de molécules PDE activées par chaque rhodopsine. La plage de fonctionnement est également étendue car la réduction du nombre de PDE actives se traduit par une réduction du taux d’hydrolyse du GMPc en régime permanent. Nikonov et al. et d’autres publications récentes discutées par les auteurs démontrent que, dans les tiges, ce mécanisme semble être beaucoup moins puissant que la rétroaction sur la guanylyl cyclase.
Un autre résultat important rapporté dans leur article est qu’il n’y a aucune indication d’un quatrième mécanisme de rétroaction Ca2+ proposé, la régulation adaptative du gain dans la cascade entre l’activation de la rhodopsine et la fermeture du canal. Lamb et Pugh 1992 ont développé une méthode pour estimer le gain dans la cascade de phototransduction à partir de l’analyse de la phase initiale ascendante des réponses au flash. Par la suite, d’autres recherches discutées par Nikonov et al. 2000 ont montré que cette pente était réduite pour les flashs présentés pendant l’illumination de fond ou lorsque le Ca2+ intracellulaire était artificiellement réduit dans l’obscurité, concluant que cela reflétait un système de rétroaction du Ca2+ qui réduisait le gain de la cascade pendant l’adaptation à la lumière. Dans l’article actuel, Nikonov et al. 2000 montrent que pour des intensités d’éclairage de fond qui ferment jusqu’à 80 % des canaux photosensibles et entraînent une réduction d’environ cinq fois du Ca2+ intracellulaire, la phase initiale ascendante des réponses au flash n’est en fait pas modifiée. Ils concluent que la réduction apparente de l’amplification induite par la lumière de fond ou la baisse du Ca2+ intracellulaire décrite dans la littérature est probablement due à l’augmentation du niveau stable de l’activité PDE et à l’augmentation du taux d’extinction de la rhodopsine photoexcitée qui font que la photoréponse se décolle d’une trajectoire initiale invariable à des moments très précoces.
Nikonov et ses collègues avancent maintenant l’idée que la rétroaction Ca2+ dans l’adaptation à la lumière sert presque exclusivement à augmenter la sensibilité des photorécepteurs plutôt que d’être un mécanisme de désensibilisation des photorécepteurs. Bien que cela puisse paraître paradoxal, l’effet sensibilisateur de l’extension de la plage médiée par la rétroaction du Ca2+ était évident dès les premières publications qui ont démontré l’importance du déclin du Ca2+ induit par la lumière pour l’adaptation à la lumière (Matthews et al. 1988 ; Nakatani et Yau 1988). Dans ces études, l’inhibition de la rétroaction Ca2+ pendant un éclairage de fond constant a provoqué une réduction catastrophique de la sensibilité au flash. La rétroaction Ca2+ a largement empêché la perte de sensibilité et a étendu la plage de fonctionnement du photorécepteur d’un facteur ∼100 (voir la figure 2 de Matthews et al. 1988). L’élégance de l’article de Nikonov et al. 2000 est qu’ils ont trouvé un moyen clair de démêler les rôles des mécanismes de désensibilisation et de sensibilisation dans le processus global d’adaptation.
Cela nous ramène à la définition de l’adaptation à la lumière dans les photorécepteurs. Comme nous l’avons mentionné plus haut, l’adaptation est généralement définie comme une combinaison de désensibilisation cellulaire et d’accélération de la réponse. La logique de Nikonov et al. 2000 suggère qu’il est nécessaire de redéfinir l’adaptation pour englober trois phénomènes interdépendants : désensibilisation des cellules, accélération de la réponse et extension de la plage de fonctionnement. Des mécanismes moléculaires individuels peuvent contribuer à une ou plusieurs de ces trois caractéristiques. Comme l’ont souligné Pugh et ses collègues en 1999, la désensibilisation des bâtonnets implique une augmentation de l’hydrolyse de la GMPc en régime permanent, une compression du signal et une diminution de la durée de vie de la rhodopsine par Ca2+/récupération. L’accélération de la réponse implique une augmentation de l’hydrolyse du GMPc en régime permanent et une diminution de la durée de vie de la rhodopsine. L’extension de la gamme implique trois processus dépendants du Ca2+ : une augmentation de la synthèse du GMPc, une augmentation de la sensibilité au GMPc des canaux et un raccourcissement de la durée de vie de la rhodopsine photoactivée.
Nikonov et al. 2000 fournissent un modèle mathématique détaillé de la phototransduction et de l’adaptation à la lumière des vertébrés, basé sur pratiquement tous les mécanismes biochimiques bien établis. Une modélisation de ce type comprend naturellement de nombreux paramètres qui laissent beaucoup de place à l’ambiguïté lors de l’ajustement des réponses. Cependant, dans le présent article et dans un article précédent, Nikonov et ses collègues (Nikonov et al. 1998, Nikonov et al. 2000) ont estimé expérimentalement et indépendamment de nombreux paramètres physiologiques et biochimiques clés. Cela élimine presque complètement la manipulation arbitraire des paramètres et augmente la robustesse des conclusions tirées du modèle.
Avec la description quantitative de la phototransduction et de l’adaptation à la lumière que Nikonov et al. fournissent, que reste-t-il d’inconnu ? Nous fournissons ici les trois exemples suivants. Premièrement, bien que Nikonov et al. n’aient trouvé aucune preuve de régulation du gain de phototransduction dans leurs conditions expérimentales, il reste à voir si la régulation du gain se produit ou non à des niveaux d’illumination plus élevés, sur une échelle de temps plus longue, ou dans différentes espèces. Si tel est le cas, cela impliquerait l’existence de mécanismes biochimiques et de composants moléculaires supplémentaires qui ne sont pas inclus dans le schéma actuel de la phototransduction. Deuxièmement, on sait peu de choses sur les mécanismes moléculaires qui sous-tendent l’adaptation à la lumière chez les cônes. Les cônes sont capables de couvrir une gamme plus large que les bâtonnets, et il est pratiquement impossible de les saturer avec une lumière de fond continue. Les études futures devraient viser à déterminer si l’ensemble de l’adaptation des cônes peut être expliquée par des mécanismes d’adaptation similaires à ceux des bâtonnets, peut-être plus efficaces, ou si elle nécessite des mécanismes uniques supplémentaires. Troisièmement, à un niveau plus élevé du traitement visuel, on ne sait pas comment l’adaptation des photorécepteurs individuels contribue à l’adaptation de l’ensemble du système visuel. Il reste à déterminer comment l’une des trois composantes de l’adaptation des photorécepteurs à la lumière, à savoir la désensibilisation des cellules, l’accélération de la réponse et l’extension de la plage de sensibilité, peut permettre à notre vision adaptée à la lumière de fonctionner plus rapidement, avec une meilleure sensibilité au contraste et une résolution spatiale plus élevée.