Oświetlenie na powierzchni Ziemi zmienia się o >10 rzędów wielkości podczas normalnego cyklu dzień-noc, a układ wzrokowy kręgowców pokrywa cały ten zakres intensywności światła za pomocą dwóch podsystemów neuronalnych, które polegają na aktywności dwóch typów komórek fotoreceptorowych, pręcików i czopków. Ludzkie widzenie pręcikowe działa w zakresie około siedmiu rzędów dziesiętnych natężenia oświetlenia. System wzrokowy czopków działa w jeszcze szerszym zakresie (Rodieck 1998). Adaptacja do światła zachodzi na wszystkich poziomach układu wzrokowego, od fotoreceptorów do neuronów centralnych. Funkcjonowanie całego układu wzrokowego zależy jednak od zdolności fotoreceptorów do dostosowania swojej wrażliwości do warunków oświetlenia otoczenia. Tak więc fotoreceptory muszą generować wiarygodne sygnały w nocy, gdy pojedyncze fotony są wychwytywane pomiędzy długimi przerwami w ciemności, a także muszą kontynuować sygnalizację przy bardzo wysokich intensywnościach światła spotykanych w słoneczny dzień. W adaptacji świetlnej fotoreceptorów prawdopodobnie pośredniczą liczne i być może redundantne mechanizmy molekularne (Detwiler i Gray-Keller 1992; Lagnado i Baylor 1992; Bownds i Arshavsky 1995; Pugh et al. 1999). Ostatnio Pugh i wsp. 1999 podsumowali dziewięć pojedynczych mechanizmów molekularnych, o których sądzono, że są zaangażowane w adaptację i omówili ich względny udział w całym procesie adaptacji. Praca tych samych autorów, opublikowana na stronie 795 (Nikonov i wsp. 2000, w tym numerze), dostarcza doświadczalnego wsparcia dla ich spostrzeżeń i rozwija ramy teoretyczne, które będą miały wpływ na przyszłe badania nad adaptacją fotoreceptorów do światła.
Molekularne mechanizmy leżące u podstaw adaptacji do światła można omówić w kontekście reakcji rządzących cGMP w cytoplazmie fotoreceptora (Hodgkin i Nunn 1988):
Wewnątrzkomórkowe stężenie cGMP jest określane przez szybkość jego syntezy przez cyklazę guanylową i szybkość jego hydrolizy przez fosfodiesterazę cGMP (PDE). Stężenie to jest stale monitorowane przez kanały bramkowane cGMP, znajdujące się w błonie plazmatycznej fotoreceptorów. W zaadaptowanym do ciemności fotoreceptorze utrzymuje się stałe stężenie cGMP na poziomie kilku mikromoli. Dzięki temu część kanałów kationowych zewnętrznej błony plazmatycznej, bramkowanych przez cGMP, pozostaje otwarta, a komórka zdepolaryzowana. Światło powoduje spadek cGMP poprzez aktywację PDE za pośrednictwem kaskady enzymatycznej obejmującej fotoaktywowaną rodopsynę, białko G zwane transducyną i enzym efektorowy PDE. Zmniejszenie stężenia cGMP powoduje zamknięcie kanału i hiperpolaryzację fotoreceptora. Przywrócenie odpowiedzi na światło następuje, gdy kaskada pobudzająca jest inaktywowana, poziom cGMP jest przywracany przez cyklazę guanylowa, a kanały ponownie się otwierają. Podczas fotoodpowiedzi spada również wewnątrzkomórkowe stężenie Ca2+, ponieważ jego wejście przez kanały bramkowane cGMP jest zablokowane, podczas gdy jest on nadal wydalany przez cząsteczkę wymiany Na2+/Ca2+-K+, znajdującą się w błonie plazmatycznej. To właśnie ten spadek Ca2+ został uznany za główny czynnik leżący u podstaw adaptacji do światła, ponieważ prowadzi do regulacji zwrotnej różnych elementów kaskady fototransdukcji.
Aby zilustrować znaczenie adaptacji do światła dla normalnej funkcji fotoreceptorów, rozważmy następujące zagadnienie. Aby fotoreceptory pręcikowe mogły zarejestrować minimalne bodźce świetlne, musi być osiągnięty wysoki stopień wzmocnienia sygnału w kaskadzie rodopsyna-transducyna-PDE. Na przykład, w szczytowym momencie odpowiedzi pręcików ropuchy na pojedynczy foton, który następuje ∼1 s po absorpcji fotonu, ∼5% otwartych, wrażliwych na światło kanałów ulega zamknięciu. Oznacza to, że stałe oświetlenie dostarczające jedynie ∼100 fotonów na sekundę spowodowałoby zamknięcie wszystkich kanałów, czyniąc komórkę niereagującą na jakąkolwiek dalszą stymulację światłem. Ponieważ jednak pręciki adaptują się do światła, nie dochodzi do takiego nasycenia, dopóki oświetlenie otoczenia nie spowoduje wychwytu fotonów na poziomie ∼ 10 000 fotonów na sekundę. Efekt adaptacji jest jeszcze głębszy u czopków: one praktycznie nigdy nie ulegają nasyceniu.
Przejściu między ciemnymi a przystosowanymi do światła stanami fotoreceptora towarzyszą dwie istotne zmiany w fizjologicznych właściwościach fotoreceptorów. Po pierwsze, fotoreceptory przystosowane do światła są mniej wrażliwe na światło, co zapobiega ich ślepocie przy wysokich poziomach natężenia światła. Po drugie, fotoreceptory przystosowane do światła wytwarzają szybsze reakcje, co poprawia rozdzielczość czasową w systemie wzrokowym. To właśnie do tych dwóch cech najczęściej stosuje się termin „adaptacja do światła”, a dominujący pogląd w literaturze sugeruje, że systemy sprzężeń zwrotnych Ca2+ leżą u podstaw obu tych cech. Niezwykle istotnym wkładem Nikonova i wsp. 2000 jest podważenie tego poglądu. Autorzy badali proces adaptacji świetlnej w fotoreceptorach pręcikowych salamandry i przedstawili eksperymentalne dowody na to, że zarówno desensytyzacja fotoreceptorów, jak i przyspieszenie odpowiedzi są w dużej mierze niezależne od sprzężenia zwrotnego Ca2+. Zamiast tego, wynikają one z podwyższonej aktywności PDE spowodowanej stałym oświetleniem tła.
Jeden efekt stałej aktywacji PDE na bezwzględnej czułości odpowiedzi jest raczej prosty. Ponieważ bezwzględna czułość odpowiedzi jest proporcjonalna do bezwzględnej liczby kanałów otwartych przed błyskiem, redukcja liczby otwartych kanałów spowodowana przez stałe oświetlenie automatycznie prowadzi do kompresji amplitudy odpowiedzi. Kompresja odpowiedzi jest jednak stosunkowo niewielką częścią całkowitego efektu stałej aktywacji PDE. Główne źródło zmniejszenia czułości błysku jest spowodowane przyspieszeniem odzyskiwania sygnału spowodowanym aktywacją PDE. Formalnie, to przyspieszenie występuje, ponieważ stała czasowa reakcji rządzącej zmianą cGMP wywołaną błyskiem jest odwrotnie proporcjonalna do specyficznej aktywności PDE na objętość cytoplazmy. Ta stała czasowa jest dokładnie taką samą stałą czasową, która rządzi obrotem całej puli cytoplazmatycznej cGMP w tych samych warunkach oświetleniowych.
Ta ostatnia koncepcja nie jest intuicyjna, a Nikonov i wsp. 2000 podają hydrodynamiczną analogię „wanny”, aby zilustrować ten efekt w dyskusji ich pracy. My podajemy inną analogię, która może przemówić do czytelnika zaznajomionego z własnościami obwodów elektrycznych. Rozważmy obwód elektryczny składający się ze zmiennego opornika, kondensatora i źródła stałego prądu. Napięcie (V) na kondensatorze reprezentuje stężenie cGMP. Prąd (i), który ładuje kondensator (C) reprezentuje szybkość syntezy cGMP przez cyklazę guanylowa (α, zgodnie z Nikonov i wsp. 2000), podczas gdy kondensator reprezentuje objętość komórki. Aktywność PDE jest reprezentowana przez zmienny opornik (R(I)), który jest regulowany przez światło (I). Przewodność opornika, 1/R, reprezentuje sumę ciemnej podstawowej aktywności PDE i aktywności PDE stymulowanej światłem. Napięcie na kondensatorze jest ustalane przez równowagę pomiędzy napływem prądu w obwodzie i upływem przez rezystor. Równania opisujące zmiany napięcia w obwodzie są identyczne z równaniami opisującymi dynamikę stężenia cGMP w pręciku.
W tej analogii, odpowiedź błyskowa jest reprezentowana przez wprowadzenie krótkiego, przejściowego spadku R(I). Powoduje to spadek napięcia do pewnego poziomu, a następnie wykładniczo powraca do stałego poziomu ze stałą czasową τ = RC. Ponieważ 1/RC odpowiada stosunkowi aktywności PDE w stanie ustalonym do objętości cytoplazmy (β, wg Nikonova i wsp. 2000), RC reprezentuje stałą czasową wymiany cytoplazmatycznej puli cGMP. Wyraźnie widać, że wyższa stała aktywność PDE zmniejsza tę stałą czasową i prowadzi do szybszego powrotu cGMP do poziomu wyjściowego. Nikonov i wsp. 2000 wykazują, że ten drugi efekt kinetyczny stałej aktywności PDE przed błyskiem jest głównym czynnikiem odpowiedzialnym za przyspieszenie reakcji fotoelektrycznej podczas adaptacji do światła. Ważne jest, aby zauważyć, że ponieważ obwód jest liniowy, przebieg czasowy powrotu odpowiedzi „flash” jest niezależny od stałej wartości prądu i. Zmiany i po prostu skalują amplitudę odpowiedzi napięciowej (cGMP) bez zmiany charakterystycznego czasu powrotu. Tak więc, poziom aktywności cyklazy w stanie ustalonym, i w tej analogii, nie ma wpływu na szybkość powrotu fotoreakcji.
Przyspieszony powrót oznacza, że odpowiedź błyskowa rozwija się w krótszym okresie czasu, a to zmniejsza wrażliwość na błysk nałożony na stałe tło. Tak więc, aktywacja PDE w stanie ustalonym zmniejsza wrażliwość fotoreceptora przez połączone efekty zmniejszenia frakcji otwartych kanałów i przez skrócenie fotoreakcji. Eleganckie eksperymenty pozwoliły Nikonovowi i wsp. 2000 na ilościowe określenie stopnia aktywacji PDE przez stałe oświetlenie tła. Pokazują oni, że z ∼ 100-krotnego zmniejszenia czułości błysku obserwowanego przy najjaśniejszych intensywnościach tła (patrz Rys. 6 w Nikonov et al. 2000), ∼ 5-krotne wynika z kompresji odpowiedzi i ∼ 15-krotne wynika z kinetycznego efektu aktywacji PDE, z pozostałą częścią prawdopodobnie wynikającą z wpływu rezweratryny działającej na czas życia aktywowanej rodopsyny.
Przypisawszy większą część redukcji wrażliwości fotoreceptorów i przyspieszenia reakcji fotoelektrycznej podwyższonej aktywności PDE przed błyskiem, nasuwa się pytanie: jaką rolę odgrywa sprzężenie zwrotne Ca2+ w adaptacji do światła? Odpowiedź jest jasna, jeśli weźmiemy pod uwagę, że stała aktywność PDE wytwarzana przez światło tła powoduje znaczący wzrost aktywności hydrolitycznej cGMP. Gdyby nie istniały mechanizmy kompensacyjne, stężenie cGMP zostałoby drastycznie obniżone, nawet przy umiarkowanym oświetleniu tła, ostatecznie nie pozostawiając otwartych kanałów, które mogłyby rejestrować dalsze zmiany oświetlenia. Tak więc, najbardziej fundamentalną rolą Ca2+ w adaptacji do światła jest przeciwstawienie się temu nasyceniu poprzez zaangażowanie szeregu mechanizmów molekularnych, które ostatecznie prowadzą do ponownego otwarcia kanałów, a zatem do rozszerzenia zakresu intensywności światła, w którym działa fotoreceptor (patrz Pugh et al. 1999 dla odniesienia i szczegółowej dyskusji).
Główny efekt rozszerzający zakres działania Ca2+ jest pośredniczony przez sprzężenie zwrotne na cyklazę guanylową poprzez białka wiążące Ca2+ zwane białkami aktywującymi cyklazę guanylową. Zależny od ¶wiatła spadek Ca2+ powoduje wzrost tempa syntezy cGMP, który przeciwdziała podwyższonej stałej aktywno¶ci PDE podczas o¶wietlenia tła. Ten efekt stałego światła tła nie powinien być mylony z dynamicznym sprzężeniem zwrotnym Ca2+ na cyklazę guanylylowa podczas reakcji błysku, która przyspiesza powrót reakcji błysku. Nikonov i wsp. 2000 twierdzą, że efekt dynamicznej aktywacji cyklazy zmienia się w niewielkim stopniu w zależności od warunków oświetlenia tła i dlatego nie powinien być uważany za ważny czynnik w adaptacji do światła.
Drugi rozszerzający zakres efekt Ca2+ skierowany jest bezpośrednio na kanały bramkowane cGMP. Spadek Ca2+ powoduje, że kanały stają się bardziej wrażliwe na cGMP, tak że działają przy niższym stężeniu cGMP. Efekt ten jest prawdopodobnie mediowany przez kalmodulinę lub białka podobne do kalmoduliny i wydaje się być bardziej znaczący w czopkach niż w pręcikach (Rebrik i in. 2000). Oba te efekty prowadzą do ponownego otwarcia kanałów bramkowanych cGMP podczas stałego oświetlenia, nie powodując żadnych efektów desensytyzujących; zamiast tego, ponownie uwrażliwiają fotoreceptor.
Trzecie sprzężenie zwrotne Ca2+ różni się od pozostałych, ponieważ powoduje zarówno rozszerzenie zakresu, jak i przyczynia się do desensytyzacji komórki. Spadek Ca2+ nasila fosforylację rodopsyny poprzez białko wiążące Ca2+ – rezweratynę, co prowadzi do skrócenia czasu życia aktywowanej rodopsyny. Powoduje to desensytyzację, ponieważ zmniejsza liczbę cząsteczek PDE aktywowanych przez każdą rodopsynę. Zakres działania jest również rozszerzony, ponieważ zmniejszona liczba aktywnych PDE przekłada się na zmniejszoną stałą szybkość hydrolizy cGMP. Zarówno Nikonov et al. jak i inna najnowsza literatura omawiana przez autorów pokazują, że w pręcikach mechanizm ten wydaje się być znacznie mniej silny niż sprzężenie zwrotne na cyklazę guanylylową.
Innym ważnym wynikiem odnotowanym w ich artykule jest to, że nie ma wskazania na czwarty proponowany mechanizm sprzężenia zwrotnego Ca2+, adaptacyjną regulację wzmocnienia w kaskadzie pomiędzy aktywacją rodopsyny a zamknięciem kanału. Lamb i Pugh 1992 opracowali metodę szacowania wzmocnienia w kaskadzie fototransdukcji na podstawie analizy początkowej fazy narastania odpowiedzi na błysk. Później, inne badania omówione przez Nikonov i wsp. 2000 wykazały, że to nachylenie było zmniejszone dla błysków prezentowanych podczas oświetlenia tła lub gdy wewnątrzkomórkowe Ca2+ było sztucznie zmniejszone w ciemności, konkludując, że odzwierciedlało to system sprzężenia zwrotnego Ca2+, który zmniejszał wzmocnienie kaskady podczas adaptacji do światła. W obecnej pracy Nikonov i wsp. 2000 wykazują, że dla natężenia światła tła, które zamyka do 80% kanałów wrażliwych na światło i powoduje około pięciokrotną redukcję wewnątrzkomórkowego Ca2+, początkowa faza narastania odpowiedzi na błysk w rzeczywistości nie ulega zmianie. Wnioskują, że pozorna redukcja wzmocnienia wywołanego przez światło tła lub obniżone wewnątrzkomórkowe Ca2+ opisana w literaturze jest prawdopodobnie spowodowana zwiększonym stałym poziomem aktywności PDE i zwiększonym tempem wygaszania fotowzbudzonej rodopsyny, które powodują, że fotoodpowiedź odrywa się od niezmiennej trajektorii początkowej w bardzo wczesnym czasie.
Nikonov i współpracownicy wysuwają teraz pogląd, że sprzężenie zwrotne Ca2+ w adaptacji świetlnej służy prawie wyłącznie do zwiększenia wrażliwości fotoreceptorów, a nie jako mechanizm desensytyzacji fotoreceptorów. Chociaż może to brzmieć paradoksalnie, uwrażliwiający efekt rozszerzenia zakresu działania sprzężenia zwrotnego Ca2+ był oczywisty już od pierwszych publikacji, które wykazały znaczenie indukowanego światłem spadku Ca2+ dla adaptacji świetlnej (Matthews i wsp. 1988; Nakatani i Yau 1988). W badaniach tych, zahamowanie sprzężenia zwrotnego Ca2+ podczas stałego oświetlenia tła powodowało katastrofalne obniżenie czułości błysku. Sprzężenie zwrotne Ca2+ w znacznym stopniu zapobiegało utracie czułości i rozszerzało zakres działania fotoreceptora o ∼ 100-krotnie (patrz rys. 2 w Matthews i wsp. 1988). Elegancja artykułu Nikonova i wsp. 2000 polega na tym, że znaleźli oni jasny sposób na rozdzielenie roli mechanizmów desensytyzujących i sensytyzujących w ogólnym procesie adaptacji.
To sprowadza nas z powrotem do definicji adaptacji świetlnej w fotoreceptorach. Jak wspomnieliśmy powyżej, adaptacja jest zwykle definiowana jako połączenie desensytyzacji komórek i przyspieszenia odpowiedzi. Logika Nikonova i in. 2000 sugeruje, że konieczne jest przedefiniowanie adaptacji, aby objąć trzy powiązane ze sobą zjawiska: desensytyzacja komórek, przyspieszenie odpowiedzi i rozszerzenie zakresu działania. Poszczególne mechanizmy molekularne mogą przyczynić się do jednego lub więcej z tych trzech cech. Jak opisali Pugh i współpracownicy 1999, desensytyzacja w pręcikach obejmuje wzrost stałej hydrolizy cGMP, kompresję sygnału i zmniejszenie czasu życia rodopsyny przez Ca2+/recoverin. Przyspieszenie odpowiedzi wiąże się ze wzrostem stałej hydrolizy cGMP i zmniejszeniem czasu życia rodopsyny. Rozszerzenie zakresu obejmuje trzy procesy zależne od Ca2+: wzrost syntezy cGMP; wzrost wrażliwości kanałów na cGMP; oraz skrócenie czasu życia fotoaktywowanej rodopsyny.
Nikonov i wsp. 2000 dostarczają szczegółowy model matematyczny fototransdukcji pręcikowej kręgowców i adaptacji do światła oparty na praktycznie wszystkich dobrze poznanych mechanizmach biochemicznych. Modelowanie tego rodzaju naturalnie zawiera wiele parametrów, które pozostawiają wiele miejsca na niejednoznaczność przy dopasowywaniu odpowiedzi. Jednakże, w obecnym i poprzednim artykule, Nikonov i współpracownicy (Nikonov et al. 1998, Nikonov et al. 2000) eksperymentalnie oszacowali wiele kluczowych parametrów fizjologicznych i biochemicznych niezależnie. To prawie całkowicie eliminuje arbitralną manipulację parametrami i zwiększa solidność wniosków wyciągniętych z modelu.
Z ilościowym opisem fototransdukcji i adaptacji do światła, który Nikonov i wsp. zapewniają, co pozostaje nieznane? Podajemy tutaj trzy następujące przykłady. Po pierwsze, chociaż Nikonov i wsp. nie znaleźli dowodów na regulację wzmocnienia fototransdukcji w ich warunkach eksperymentalnych, pozostaje do sprawdzenia, czy regulacja wzmocnienia występuje na wyższych poziomach oświetlenia, w dłuższej skali czasowej lub u różnych gatunków. Jeśli tak, to oznaczałoby to istnienie dodatkowych mechanizmów biochemicznych i komponentów molekularnych, które nie są uwzględnione w obecnym schemacie fototransdukcji. Po drugie, niewiele wiadomo o molekularnych mechanizmach leż±cych u podstaw adaptacji ¶wietlnej u czopków. Czopki s± zdolne do pokrycia szerszego zakresu niż pr±tki i praktycznie niemożliwe jest ich wysycenie ¶wiatłem stałym. Przyszłe badania powinny być ukierunkowane na zrozumienie, czy cała adaptacja czopków może być tłumaczona przez być może bardziej wydajne pręcikowe mechanizmy adaptacyjne, czy też wymaga ona dodatkowych, unikalnych mechanizmów. Po trzecie, na wyższym poziomie przetwarzania wzrokowego nie wiadomo, w jaki sposób adaptacja poszczególnych fotoreceptorów przyczynia się do adaptacji całego układu wzrokowego. Pozostaje do ustalenia, w jaki sposób którykolwiek z trzech składników adaptacji fotoreceptorów do światła, desensytyzacja komórek, przyspieszenie odpowiedzi i rozszerzenie zakresu czułości, może spowodować, że nasze zaadaptowane do światła widzenie będzie działało szybciej, z lepszą czułością kontrastu i wyższą rozdzielczością przestrzenną.
.