De verlichting aan het aardoppervlak varieert met >10 orden van grootte gedurende de normale dag-nacht cyclus, en het gewervelde visuele systeem bestrijkt dit hele bereik van lichtintensiteiten met twee neuronale subsystemen die steunen op de activiteit van twee soorten fotoreceptorcellen, staafjes en kegeltjes. Het menselijke staafvormige gezichtsvermogen bestrijkt ongeveer zeven decimale orden van lichtintensiteit. Het visuele systeem van de kegeltjes werkt over een nog groter bereik (Rodieck 1998). Lichtadaptatie vindt plaats op alle niveaus van het visuele systeem, van fotoreceptoren tot centrale neuronen. Toch hangt de functie van het gehele visuele systeem af van het vermogen van de fotoreceptoren zelf om hun gevoeligheid aan te passen aan de omgevingslichtsituatie. Zo moeten de fotoreceptoren ’s nachts betrouwbare signalen genereren wanneer afzonderlijke fotonen worden opgevangen tussen lange intervallen van duisternis, en moeten zij ook signalen blijven afgeven bij de zeer hoge lichtintensiteit die men op een zonnige dag aantreft. De lichtadaptatie van de fotoreceptoren verloopt waarschijnlijk via meerdere en wellicht redundante moleculaire mechanismen (Detwiler en Gray-Keller 1992; Lagnado en Baylor 1992; Bownds en Arshavsky 1995; Pugh et al. 1999). Onlangs hebben Pugh et al. 1999 negen afzonderlijke moleculaire mechanismen samengevat waarvan gedacht wordt dat ze betrokken zijn bij adaptatie en hun relatieve bijdragen aan het gehele adaptatieproces besproken. Een studie van dezelfde auteurs, gepubliceerd op pagina 795 (Nikonov et al. 2000, dit nummer), biedt de experimentele ondersteuning voor hun inzichten en ontwikkelt verder een theoretisch kader dat van invloed zal zijn op toekomstige studies van fotoreceptor lichtadaptatie.
De moleculaire mechanismen die ten grondslag liggen aan lichtadaptatie kunnen worden besproken in de context van de reacties die cGMP in het cytoplasma van de fotoreceptor regelen (Hodgkin en Nunn 1988):
De intracellulaire concentratie van cGMP wordt bepaald door de snelheid van zijn synthese door het guanylyl cyclase en de snelheid van zijn hydrolyse door het cGMP fosfodiësterase (PDE). Deze concentratie wordt voortdurend gecontroleerd door de cGMP-geactiveerde kanalen die zich in het plasmamembraan van de fotoreceptor bevinden. In de aan het donker aangepaste fotoreceptor wordt een constante cGMP-concentratie van enkele micromolaren gehandhaafd. Dit houdt een fractie van de cGMP-geactiveerde kationische kanalen van het buitenste plasmamembraan open en de cel gedepolariseerd. Licht doet het cGMP dalen door de activering van PDE via de enzymatische cascade die bestaat uit het gefotoactiveerde rhodopsine, het G-eiwit transducine, en het effectorgenzym PDE. De verlaging van de cGMP-concentratie leidt tot kanaalsluiting en hyperpolarisatie van de fotoreceptor. Herstel van de lichtrespons treedt op wanneer de excitatoire cascade wordt geïnactiveerd, het cGMP-niveau wordt hersteld door guanylyl cyclase, en de kanalen weer opengaan. Tijdens de lichtrespons daalt ook de intracellulaire Ca2+-concentratie, omdat het binnendringen ervan door de cGMP-geactiveerde kanalen wordt geblokkeerd, terwijl het verder wordt geëxtrudeerd door een Na2+/Ca2+-K+-uitwisselingsmolecuul dat zich in het plasmamembraan bevindt. Het is deze Ca2+ daling die geïmpliceerd is als de belangrijkste factor die ten grondslag ligt aan lichtadaptatie, omdat het leidt tot de terugkoppelingsregulatie van verschillende fototransductie cascade componenten.
Om het belang van lichtadaptatie voor de normale werking van de fotoreceptor te illustreren, beschouw het volgende. Voor staaffotoreceptoren om minimale lichtstimuli te registreren, moet een hoge mate van signaalversterking worden bereikt in de rhodopsine-transducine-PDE cascade. Bijvoorbeeld, op de piek van de paddenstaafreactie op een enkel foton, die ∼1 s na fotonabsorptie optreedt, wordt ∼5% van de open, lichtgevoelige kanalen gesloten. Dit betekent dat een constante belichting met slechts ∼100 fotonen per seconde alle kanalen zou sluiten, waardoor de cel niet meer reageert op verdere lichtstimulatie. Maar omdat staafjes zich aanpassen aan licht, wordt deze verzadiging vermeden totdat de omgevingsverlichting een fotonvangstsnelheid van ∼10.000 fotonen per seconde oplevert. Het effect van aanpassing is nog ingrijpender bij kegeltjes: deze raken vrijwel nooit verzadigd.
De overgang tussen de aan donker en licht aangepaste toestand van de fotoreceptor gaat gepaard met twee belangrijke veranderingen in de fysiologische eigenschappen van de fotoreceptoren. Ten eerste zijn lichtaangepaste fotoreceptoren minder gevoelig voor licht, waardoor ze niet blind worden bij hoge lichtintensiteitsniveaus. Ten tweede produceren lichtaangepaste fotoreceptoren snellere fotoresponsen, waardoor de temporele resolutie in het visuele systeem verbetert. Het is op deze twee kenmerken dat de term “lichtadaptatie” het vaakst is toegepast, en de heersende opvatting in de literatuur suggereert dat de Ca2+ feedbacksystemen aan beide ten grondslag liggen. Een zeer belangrijke bijdrage van Nikonov et al. 2000 is het betwisten van deze opvatting. De auteurs onderzochten het proces van lichtadaptatie in salamander staaf-fotoreceptoren en leveren experimenteel bewijs dat zowel de desensitisatie van de fotoreceptor als de versnelling van de respons grotendeels onafhankelijk zijn van Ca2+ feedback. In plaats daarvan zijn ze het gevolg van de verhoogde PDE activiteit veroorzaakt door constante achtergrondverlichting.
Een effect van constante PDE activering op de absolute responsgevoeligheid is tamelijk rechttoe rechtaan. Aangezien de absolute gevoeligheid van de respons is evenredig met het absolute aantal van de kanalen open voor de flits, de vermindering van het aantal open kanalen veroorzaakt door de constante verlichting leidt automatisch tot een compressie van de respons amplitude. De compressie van de respons is echter een relatief klein deel van het totale effect van de constante PDE activering. De belangrijkste oorzaak van de vermindering van de flitsgevoeligheid is de versnelling van het signaalherstel als gevolg van de PDE-activering. Formeel komt deze versnelling tot stand doordat de tijdconstante van de reactie die de door de flits veroorzaakte cGMP-verandering regelt, omgekeerd evenredig is met de specifieke PDE-activiteit per cytoplasmatisch volume. Deze tijdconstante is precies dezelfde tijdconstante die de omzet van de gehele cytoplasmatische cGMP pool onder dezelfde belichtingsomstandigheden regelt.
Dit laatste concept is niet intuïtief, en Nikonov et al. 2000 geven een hydrodynamische “badkuip” analogie om dit effect te illustreren in de bespreking van hun paper. Wij geven een andere analogie die de lezer die vertrouwd is met de eigenschappen van elektrische circuits, zou kunnen aanspreken. Beschouw een elektrische schakeling bestaande uit een variabele weerstand, een condensator en een constante stroombron. De spanning (V) over de condensator vertegenwoordigt de cGMP-concentratie. De stroom (i) die de condensator oplaadt (C) vertegenwoordigt de snelheid van de cGMP-synthese door guanylyl cyclase (α, volgens Nikonov et al. 2000), terwijl de condensator het celvolume vertegenwoordigt. De PDE-activiteit wordt weergegeven door de variabele weerstand (R(I)), die wordt geregeld door licht (I). De geleidbaarheid van de weerstand, 1/R, vertegenwoordigt de som van de basale PDE-activiteit in het donker en de door licht gestimuleerde PDE-activiteit. De spanning over de condensator wordt bepaald door het evenwicht tussen de stroomtoevoer in de kring en de lekkage door de weerstand. De vergelijkingen die de veranderingen van de spanning in de kring beschrijven zijn identiek aan die welke de dynamiek van de cGMP-concentratie in de staaf beschrijven.
In deze analogie wordt een flitsreactie voorgesteld door de invoering van een korte, voorbijgaande daling van R(I). Hierdoor daalt de spanning tot een bepaald niveau, waarna deze exponentieel terugkeert naar het stabiele niveau met een tijdconstante τ = RC. Aangezien 1/RC gelijk is aan de verhouding van de steady state activiteit van PDE tot het cytoplasmatisch volume (β, volgens Nikonov et al. 2000), vertegenwoordigt RC de tijdsconstante van de uitwisseling van de cytoplasmatische cGMP pool. Dan is het duidelijk dat een hogere constante PDE activiteit deze tijdconstante verlaagt en leidt tot een sneller herstel van cGMP tot zijn basisniveau. Nikonov et al. 2000 tonen aan dat dit tweede kinetische effect van de constante preflits PDE activiteit de belangrijkste factor is die verantwoordelijk is voor de versnelling van de fotorespons tijdens lichtadaptatie. Het is belangrijk op te merken dat, aangezien de schakeling lineair is, het tijdsverloop van het herstel van de “flits”-respons onafhankelijk is van de constante waarde van de stroom i. Veranderingen in i schalen eenvoudig de amplitude van de spanningsrespons (cGMP) zonder de karakteristieke hersteltijd ervan te veranderen. Het niveau van de “steady state” cyclase-activiteit, i in deze analogie, heeft dus geen invloed op de snelheid van het herstel van de fotorespons.
Het versnelde herstel betekent dat de flitsrespons zich over een kortere periode ontwikkelt, en dit vermindert de gevoeligheid voor een flits die op een stabiele achtergrond wordt gesuperponeerd. De activering van de PDE’s in de stabiele toestand vermindert dus de gevoeligheid van de fotoreceptor door de gecombineerde effecten van vermindering van de fractie van open kanalen en door het afsnijden van de fotorespons. Elegante experimenten stelden Nikonov et al. 2000 in staat de mate van PDE-activering door constante achtergrondverlichting te kwantificeren. Zij tonen aan dat van de ∼100-voudige vermindering van de flitsgevoeligheid, waargenomen bij hun helderste achtergrondintensiteiten (zie Fig. 6 in Nikonov et al. 2000), ∼5-voud te wijten is aan de responscompressie en ∼15-voud te wijten is aan het kinetische effect van PDE-activering, waarbij de rest waarschijnlijk te wijten is aan het effect van recoverine dat inwerkt op de geactiveerde rhodopsinelevensduur.
Hebben toegeschreven het grootste deel van de vermindering van de fotoreceptor gevoeligheid en de versnelling van de fotorespons aan de verhoogde PDE activiteit voor de flits, de vraag rijst: welke rol speelt Ca2 + feedback spelen in lichtadaptatie? Het antwoord is duidelijk als we bedenken dat de constante PDE activiteit, veroorzaakt door het achtergrondlicht, een aanzienlijke toename van de cGMP hydrolytische activiteit veroorzaakt. Als er geen compensatiemechanismen zouden zijn, zou de cGMP-concentratie dramatisch afnemen, zelfs bij matige achtergrondverlichting, waardoor er uiteindelijk geen kanalen meer open zouden zijn om verdere lichtveranderingen te registreren. De meest fundamentele rol van Ca2+ in lichtadaptatie is dus het tegengaan van deze verzadiging door een aantal moleculaire mechanismen in werking te stellen die uiteindelijk leiden tot het heropenen van kanalen en daarmee tot de uitbreiding van het bereik van lichtintensiteiten waarbinnen de fotoreceptor werkt (zie Pugh et al. 1999 voor referenties en gedetailleerde discussie).
Het belangrijkste bereikvergrotende effect van Ca2+ wordt gemedieerd door een terugkoppeling naar guanylyl cyclase via de Ca2+ bindende proteïnen die guanylyl cyclase activerende proteïnen worden genoemd. Licht-afhankelijke Ca2+ afname veroorzaakt een toename in de snelheid van cGMP synthese die de verhoogde constante PDE activiteit tijdens achtergrondverlichting tegengaat. Dit effect van constant achtergrondlicht moet niet verward worden met de dynamische Ca2+ feedback op guanylyl cyclase tijdens de flitsrespons die het herstel van de flitsrespons versnelt. Nikonov et al. 2000 stellen dat het effect van dynamische cyclase activering weinig varieert met achtergrondlicht condities en dus niet beschouwd moet worden als een belangrijke factor in lichtadaptatie.
Het tweede bereikvergrotende effect van Ca2+ richt zich direct op de cGMP-gated kanalen. Ca2+ afname zorgt ervoor dat de kanalen gevoeliger worden voor cGMP, zodat ze werken bij een lagere cGMP concentratie. Dit effect wordt waarschijnlijk gemedieerd door calmoduline of calmoduline-achtige eiwitten, en lijkt belangrijker te zijn in kegeltjes dan in staafjes (Rebrik et al. 2000). Beide effecten leiden tot het heropenen van cGMP-gated kanalen tijdens constante verlichting zonder desensibiliserende effecten te veroorzaken; in plaats daarvan resensibiliseren ze de fotoreceptor.
De derde Ca2+ terugkoppeling verschilt van de andere omdat deze zowel een bereikverlenging veroorzaakt als bijdraagt tot de desensibilisatie van de cel. Ca2+ daling verhoogt de rhodopsine fosforylering via het Ca2+ bindend eiwit recoverin, wat leidt tot een afname van de levensduur van het geactiveerde rhodopsine. Dit resulteert in desensibilisatie omdat het aantal PDE-moleculen dat door elk rhodopsine wordt geactiveerd, vermindert. Het werkingsgebied wordt ook uitgebreid omdat het verminderde aantal actieve PDE’s zich vertaalt in een verminderde constante cGMP-hydrolytische snelheid. Zowel Nikonov et al. als andere door de auteurs besproken recente literatuur tonen aan dat, in staven, dit mechanisme veel minder krachtig blijkt te zijn dan de terugkoppeling naar de guanylyl cyclase.
Een ander belangrijk resultaat dat in hun artikel wordt gemeld is dat er geen aanwijzing is voor een vierde voorgesteld Ca2+ terugkoppelingsmechanisme, de adaptieve regulatie van de winst in de cascade tussen rhodopsine activering en kanaalsluiting. Lamb en Pugh 1992 ontwikkelden een methode voor het schatten van de winst in de fototransductiecascade door het analyseren van de initiële stijgende fase van flitsresponsen. Later bleek uit ander onderzoek, besproken door Nikonov et al. 2000, dat deze helling afnam voor flitsen die werden gepresenteerd tijdens achtergrondverlichting of terwijl intracellulair Ca2+ kunstmatig werd verlaagd in de duisternis, concluderend dat dit een Ca2+ feedback systeem weerspiegelde dat de winst in de cascade verminderde tijdens lichtadaptatie. In het huidige artikel tonen Nikonov et al. 2000 aan dat voor achtergrondlichtintensiteiten die tot 80% van de lichtgevoelige kanalen sluiten en resulteren in een ongeveer vijfvoudige reductie van intracellulair Ca2+, de zeer initiële stijgende fase van flitsresponsen in feite niet wordt veranderd. Zij concluderen dat de schijnbare vermindering van de versterking geïnduceerd door achtergrondlicht of verlaagde intracellulaire Ca2+ beschreven in de literatuur waarschijnlijk te wijten is aan het verhoogde constante niveau van PDE activiteit en verhoogde snelheid van fotoexciteerde rhodopsine quenching die ervoor zorgen dat de fotorespons afbladdert van een invariant initieel traject op zeer vroege tijdstippen.
Nikonov en collega’s stellen nu dat Ca2+ feedback in lichtadaptatie bijna uitsluitend dient om de gevoeligheid van de fotoreceptor te verhogen en niet als een mechanisme van fotoreceptor desensitisatie. Hoewel dit paradoxaal mag klinken, was het sensibiliserende effect van de Ca2+ feedback-gemedieerde range uitbreiding duidelijk vanaf de allereerste publicaties die het belang van licht-geïnduceerde Ca2+ daling voor lichtadaptatie aantoonden (Matthews et al. 1988; Nakatani and Yau 1988). In deze studies veroorzaakte het remmen van Ca2+ feedback tijdens constante achtergrondverlichting een catastrofale vermindering van de flitsgevoeligheid. Ca2+ terugkoppeling voorkwam grotendeels het verlies van gevoeligheid en verlengde het werkgebied van de fotoreceptor met het ∼100-voudige (zie figuur 2 in Matthews et al. 1988). Het elegante van het artikel van Nikonov et al. 2000 is dat zij een duidelijke manier hebben gevonden om de rol van zowel desensibiliserende als sensibiliserende mechanismen in het totale adaptatieproces te ontwarren.
Dit brengt ons terug bij de definitie van lichtadaptatie in fotoreceptoren. Zoals we hierboven vermeldden, wordt adaptatie gewoonlijk gedefinieerd als een combinatie van celdesensibilisatie en responsversnelling. De logica van Nikonov et al. 2000 suggereert dat het nodig is om adaptatie te herdefiniëren om drie onderling gerelateerde fenomenen te omvatten: celdesensibilisatie, responsversnelling, en uitbreiding van het werkingsgebied. Individuele moleculaire mechanismen kunnen bijdragen aan één of meer van deze drie kenmerken. Zoals beschreven door Pugh en collega’s in 1999, houdt desensibilisatie in staafjes een toename in van de gestage cGMPhydrolyse, signaalcompressie, en een afname van de rhodopsinelevensduur door Ca2+/recoverine. Responsversnelling gaat gepaard met een toename van de gestage cGMPhydrolyse en een afname van de rhodopsinelevensduur. Bereikverlenging gaat gepaard met drie Ca2+-afhankelijke processen: een toename van de cGMP-synthese; een toename van de cGMP-gevoeligheid van de kanalen; en een verkorting van de levensduur van het foto-geactiveerde rhodopsine.
Nikonov et al. 2000 geven een gedetailleerd wiskundig model van de fototransductie en lichtadaptatie van vertebraten staafjes, gebaseerd op vrijwel alle bekende biochemische mechanismen. Dit soort modellen bevat natuurlijk veel parameters die veel ruimte laten voor ambiguïteit bij het inpassen van reacties. In dit artikel en in een eerder artikel hebben Nikonov en collega’s (Nikonov et al. 1998, Nikonov et al. 2000) echter veel van de belangrijkste fysiologische en biochemische parameters onafhankelijk van elkaar experimenteel geschat. Dit elimineert bijna volledig willekeurige manipulatie van de parameters en verhoogt de robuustheid van de conclusies die uit het model getrokken worden.
Met de kwantitatieve beschrijving van fototransductie en lichtadaptatie die Nikonov et al. geven, wat blijft er dan nog onbekend? We geven hier de volgende drie voorbeelden. Ten eerste, hoewel Nikonov et al. geen bewijs vonden voor regulatie van de fototransductiewinst onder hun experimentele omstandigheden, moet nog blijken of de regulatie van de winst al dan niet optreedt bij hogere verlichtingsniveaus, op een langere tijdschaal, of in verschillende soorten. Indien dit het geval is, zou dit het bestaan impliceren van aanvullende biochemische mechanismen en moleculaire componenten die niet zijn opgenomen in het huidige schema van fototransductie. Ten tweede is er weinig bekend over de moleculaire mechanismen die ten grondslag liggen aan lichtadaptatie in kegels. Kegeltjes zijn in staat een groter bereik te bestrijken dan staafjes, en zijn vrijwel onmogelijk te verzadigen met continu achtergrondlicht. Toekomstige studies moeten erop gericht zijn te begrijpen of de volledige kegeladaptatie kan worden verantwoord door misschien efficiëntere staafachtige adaptatiemechanismen, of dat daarvoor bijkomende unieke mechanismen nodig zijn. Ten derde, op een hoger niveau van de visuele verwerking, is het onbekend hoe adaptatie van individuele fotoreceptoren bijdraagt aan adaptatie van het gehele visuele systeem. Het moet nog worden vastgesteld hoe een van de drie componenten van fotoreceptor-lichtadaptatie, celdesensibilisatie, responsversnelling en uitbreiding van het gevoeligheidsbereik, ertoe kan leiden dat ons aan licht aangepaste gezichtsvermogen sneller werkt, met een betere contrastgevoeligheid en een hogere ruimtelijke resolutie.