A földfelszín megvilágítása >10 nagyságrenddel változik a normál nappali-éjszakai ciklus során, és a gerincesek látórendszere a fényerősségeknek ezt a teljes tartományát két neuronális alrendszerrel fedezi le, amelyek kétféle fotoreceptorsejt, a pálcikák és a csapok aktivitására támaszkodnak. Az emberi pálcikás látás a megvilágítás körülbelül hét tizedes fokozatában működik. A kúpok látórendszere még szélesebb tartományban működik (Rodieck 1998). A fényadaptáció a látórendszer minden szintjén végbemegy, a fotoreceptoroktól a központi neuronokig. A teljes látórendszer működése azonban attól függ, hogy maguk a fotoreceptorok mennyire képesek érzékenységüket a környezeti fényviszonyokhoz igazítani. Így a fotoreceptoroknak megbízható jeleket kell generálniuk éjszaka, amikor hosszú sötétségi intervallumok között egyetlen fotont rögzítenek, és továbbra is jelezniük kell a napsütéses napon tapasztalt nagyon magas fényintenzitás mellett is. A fotoreceptorok fényadaptációját valószínűleg több és talán redundáns molekuláris mechanizmus közvetíti (Detwiler és Gray-Keller 1992; Lagnado és Baylor 1992; Bownds és Arshavsky 1995; Pugh és mtsai. 1999). A közelmúltban Pugh és munkatársai (1999) összefoglaltak kilenc egyedi molekuláris mechanizmust, amelyekről úgy gondolják, hogy részt vesznek az adaptációban, és megvitatták a teljes adaptációs folyamathoz való relatív hozzájárulásukat. Ugyanezen szerzők 795. oldalon megjelent tanulmánya (Nikonov és mtsai. 2000, ebben a számban) kísérletileg alátámasztja meglátásaikat, és továbbfejleszti azt az elméleti keretet, amely hatással lesz a fotoreceptorok fényadaptációjának jövőbeli vizsgálataira.

A fényadaptáció alapjául szolgáló molekuláris mechanizmusok a fotoreceptor citoplazmájában a cGMP-t szabályozó reakciók összefüggésében tárgyalhatók (Hodgkin és Nunn 1988):

A cGMP intracelluláris koncentrációját a guanil-cikláz általi szintézisének és a cGMP foszfodiészteráz (PDE) általi hidrolízisének sebessége határozza meg. Ezt a koncentrációt a fotoreceptor plazmamembránjában található cGMP-kapcsolt csatornák folyamatosan ellenőrzik. A sötéthez alkalmazkodott fotoreceptorban néhány mikromoláris állandó cGMP-koncentrációt tartanak fenn. Ez a külső plazmamembrán cGMP-portált kationos csatornáinak egy részét nyitva tartja, és a sejtet depolarizált állapotban tartja. A fény a cGMP csökkenését a PDE aktiválásával okozza a fotoaktivált rodopszint, a transzducin nevű G-fehérjét és a PDE effektor enzimet tartalmazó enzimkaszkádon keresztül. A cGMP-koncentráció csökkenése csatornazáródást és a fotoreceptor hiperpolarizációját eredményezi. A fényválasz helyreállítása akkor következik be, amikor a gerjesztő kaszkád inaktiválódik, a cGMP szintje a guanil-cikláz által helyreáll, és a csatornák újra kinyílnak. A fényreakció során az intracelluláris Ca2+-koncentráció is csökken, mivel a cGMP-portált csatornákon keresztül történő bejutása blokkolva van, míg a plazmamembránban található Na2+/Ca2+-K+, cseremolekula által továbbra is extrudálódik. Ez a Ca2+ csökkenés az, amit a fényadaptáció fő tényezőjeként tartanak számon, mivel ez vezet a különböző fototranszdukciós kaszkádkomponensek visszacsatolt szabályozásához.

A fényadaptációnak a normál fotoreceptorfunkcióhoz való fontosságát a következőkben szemléltetjük. Ahhoz, hogy a pálcika fotoreceptorok minimális fényingereket regisztráljanak, nagyfokú jelerősítést kell elérni a rodopszin-transzducin-PDE kaszkádban. Például a varangyos pálcika egyetlen fotonra adott válaszának csúcspontján, amely ∼1 s-mal a foton elnyelése után következik be, a nyitott, fényérzékeny csatornák ∼5%-a zárva van. Ez azt jelenti, hogy a csak ∼100 fotont másodpercenként leadó folyamatos megvilágítás az összes csatornát bezárná, és a sejt nem reagálna semmilyen további fénystimulációra. Mivel azonban a pálcikák alkalmazkodnak a fényhez, ez a telítődés elkerülhető mindaddig, amíg a környezeti megvilágítás ∼10 000 foton/másodperc foton befogási sebességet nem eredményez. Az adaptáció hatása még mélyebb a kúpoknál: ezek gyakorlatilag soha nem telítődnek.

A fotoreceptor sötét és fényhez alkalmazkodott állapota közötti átmenetet két jelentős változás kíséri a fotoreceptorok élettani tulajdonságaiban. Először is, a fényhez alkalmazkodott fotoreceptorok kevésbé érzékenyek a fényre, ami megakadályozza, hogy nagy fényintenzitásnál megvakuljanak. Másodszor, a fényadaptált fotoreceptorok gyorsabb fotorezonanciát produkálnak, ami javítja a látórendszer időbeli felbontását. Erre a két jellemzőre alkalmazzák leggyakrabban a “fényadaptáció” kifejezést, és a szakirodalomban uralkodó nézet szerint mindkettő mögött a Ca2+ visszacsatolási rendszerek állnak. A Nikonov és munkatársai (2000) egyik mérhetetlenül fontos hozzájárulása ennek a nézetnek a megkérdőjelezése. A szerzők megvizsgálták a fényadaptáció folyamatát a szalamandra pálcika fotoreceptoraiban, és kísérleti bizonyítékot szolgáltattak arra, hogy mind a fotoreceptor deszenzitizációja, mind a válasz gyorsulása nagyrészt független a Ca2+ visszacsatolástól. Ehelyett az állandó háttérvilágítás okozta emelkedett PDE-aktivitásból erednek.

Az állandó PDE-aktiváció egyik hatása az abszolút válaszérzékenységre meglehetősen egyszerű. Mivel a válasz abszolút érzékenysége arányos a villanás előtt nyitott csatornák abszolút számával, az állandó megvilágítás okozta nyitott csatornák számának csökkenése automatikusan a válasz amplitúdójának összenyomásához vezet. A válasz kompressziója azonban viszonylag kis része a folyamatos PDE-aktiválás teljes hatásának. A villanásérzékenység-csökkenés fő forrása a PDE-aktiválás okozta jelvisszanyerés felgyorsulása. Formálisan ez a gyorsulás azért következik be, mert a villanás által kiváltott cGMP-változást irányító reakció időállandója fordítottan arányos a citoplazmatikus térfogatra jutó specifikus PDE-aktivitással. Ez az időállandó pontosan ugyanaz az időállandó, amely a teljes cGMP citoplazmatikus pool forgalmát szabályozza ugyanazon megvilágítási körülmények között.

Az utóbbi koncepció nem intuitív, és Nikonov és munkatársai 2000-ben egy hidrodinamikai “fürdőkád” analógiával illusztrálják ezt a hatást a tanulmányuk vitájában. Egy másik analógiával szolgálunk, amely az elektromos áramkörök tulajdonságait ismerő olvasó számára vonzó lehet. Tekintsünk egy elektromos áramkört, amely egy változó ellenállásból, egy kondenzátorból és egy állandó áramforrásból áll. A kondenzátoron mért feszültség (V) a cGMP-koncentrációt jelenti. A kondenzátort (C) feltöltő áram (i) a guanil-cikláz által végzett cGMP-szintézis sebességét (α, Nikonov et al. 2000 szerint), míg a kondenzátor a sejttérfogatot képviseli. A PDE-aktivitást a változó ellenállás (R(I)) reprezentálja, amelyet a fény (I) szabályoz. Az ellenállás vezetőképessége, 1/R, a sötét bazális PDE-aktivitás és a fény által stimulált PDE-aktivitás összegét jelenti. A kondenzátoron keresztüli feszültséget az áramkörbe beáramló áram és az ellenálláson keresztül történő szivárgás egyensúlya határozza meg. Az áramkörben a feszültség változását leíró egyenletek megegyeznek a pálcikában lévő cGMP-koncentráció dinamikáját leíró egyenletekkel.

Ezzel az analógiával a villanásválaszt az R(I) rövid, átmeneti csökkenésének bevezetésével reprezentáljuk. Ennek hatására a feszültség egy bizonyos szintre csökken, majd exponenciálisan visszatér az állandósult szintre τ = RC időállandóval. Mivel 1/RC egyenértékű a PDE állandósult állapotú aktivitásának és a citoplazma térfogatának (β, Nikonov et al. 2000 szerint) arányával, RC a cGMP citoplazmatikus pool cseréjének időállandóját jelenti. Ezután egyértelmű, hogy a magasabb állandósult PDE-aktivitás csökkenti ezt az időállandót, és a cGMP gyorsabb visszaállását eredményezi az alapszintre. Nikonov és munkatársai 2000-ben kimutatták, hogy a fényadaptáció során a fotoresponzív reakció felgyorsulásáért elsősorban a fény előtti állandó PDE-aktivitásnak ez a második kinetikai hatása felelős. Fontos megjegyezni, hogy mivel az áramkör lineáris, a “villanás” válasz helyreállításának időbeli lefolyása független az i áram állandó értékétől. Az i változásai egyszerűen a feszültség (cGMP) válasz amplitúdóját skálázzák anélkül, hogy a jellegzetes helyreállítási idő megváltozna. Így az állandósult ciklázaktivitás szintje, ebben az analógiában i, nincs hatással a fényválasz helyreállásának sebességére.

A gyorsabb helyreállás azt jelenti, hogy a villanásválasz rövidebb idő alatt alakul ki, és ez csökkenti az érzékenységet az állandósult háttérre helyezett villanásra. Így az állandósult állapotú PDE-aktiváció csökkenti a fotoreceptor érzékenységét a nyitott csatornák frakciójának csökkentése és a fotoresponzív válasz rövidre vágása együttes hatásával. Elegáns kísérletek lehetővé tették a Nikonov és munkatársai 2000-ben, hogy számszerűsítsék a PDE-aktiváció mértékét az egyenletes háttérfények hatására. Kimutatták, hogy az általuk megfigyelt ∼100-szoros villanásérzékenység-csökkenésből, amelyet a legfényesebb háttér-intenzitásoknál figyeltek meg (lásd a Nikonov et al. 2000 6. ábráját), ∼5-szörös a válaszkompressziónak és ∼15-szörös a PDE-aktiváció kinetikus hatásának köszönhető, a maradék valószínűleg a recoverin aktivált rodopszin élettartamra ható hatása.

Miután a fotoreceptorok érzékenységének csökkenését és a fényreakció gyorsulását nagyrészt a villanás előtti emelkedett PDE-aktivitásnak tulajdonítottuk, felmerül a kérdés: milyen szerepet játszik a Ca2+ visszacsatolás a fényadaptációban? A válasz egyértelmű, ha szem előtt tartjuk, hogy a háttérfény által kiváltott állandó PDE-aktivitás a cGMP-hidrolitikus aktivitás jelentős növekedését okozza. Ha nem lennének kompenzáló mechanizmusok, a cGMP-koncentráció még mérsékelt háttérvilágítás mellett is drámaian csökkenne, és végül nem maradnának nyitva csatornák a további fényváltozások regisztrálására. Így a Ca2+ legalapvetőbb szerepe a fényadaptációban az, hogy számos molekuláris mechanizmus beindításával szembeszáll ezzel a telítődéssel, ami végül a csatornák újbóli megnyitásához és ezáltal a fényintenzitások azon tartományának kiterjesztéséhez vezet, amelyben a fotoreceptor működik (lásd Pugh et al. 1999 a hivatkozásokat és a részletes tárgyalást).

A Ca2+ fő tartománybővítő hatását a guanil-ciklázra történő visszacsatolás közvetíti a Ca2+-kötő fehérjék, a guanil-cikláz aktiváló fehérjék révén. A fényfüggő Ca2+ csökkenés a cGMP szintézis sebességének növekedését okozza, ami ellensúlyozza a háttérvilágítás során megemelkedett, állandó PDE-aktivitást. Az egyenletes háttérvilágításnak ezt a hatását nem szabad összetéveszteni a villanásválasz során a guanil-ciklázra adott dinamikus Ca2+ visszacsatolással, amely felgyorsítja a villanásválasz helyreállását. Nikonov és munkatársai (2000) azt állítják, hogy a dinamikus ciklázaktiváció hatása alig változik a háttérfényviszonyoktól függően, és ezért nem tekinthető a fényadaptáció fontos tényezőjének.

A Ca2+ második tartománybővítő hatása közvetlenül a cGMP-portált csatornákat célozza. A Ca2+ csökkenése hatására a csatornák érzékenyebbé válnak a cGMP-re, így alacsonyabb cGMP-koncentráció mellett is működnek. Ezt a hatást valószínűleg kalmodulin vagy kalmodulinszerű fehérjék közvetítik, és úgy tűnik, hogy a kúpokban jelentősebb, mint a pálcikákban (Rebrik és mtsai. 2000). Mindkét hatás a cGMP-vezérelt csatornák újbóli megnyitásához vezet az egyenletes megvilágítás során anélkül, hogy deszenzibilizáló hatást okozna; ehelyett újra érzékenyítik a fotoreceptort.

A harmadik Ca2+ visszacsatolás különbözik a többitől, mert egyszerre okoz hatótáv-bővülést és járul hozzá a sejt deszenzibilizálásához. A Ca2+ csökkenése fokozza a rodopszin foszforilációját a Ca2+-kötő fehérje, a recoverin révén, ami az aktivált rodopszin élettartamának csökkenéséhez vezet. Ez deszenzitizációt eredményez, mivel csökkenti az egyes rodopszinok által aktivált PDE-molekulák számát. A működési tartomány is kitolódik, mivel az aktív PDE-k számának csökkenése csökkentett állandó cGMP-hidrolitikus sebességet eredményez. Mind a Nikonov és munkatársai, mind a szerzők által tárgyalt más friss irodalom azt mutatja, hogy rudakban ez a mechanizmus sokkal kevésbé tűnik hatásosnak, mint a guanil-ciklázra történő visszacsatolás.

A cikkükben közölt másik fontos eredmény, hogy nincs jele egy negyedik javasolt Ca2+ visszacsatolási mechanizmusnak, a rhodopszin aktiváció és a csatorna záródása közötti kaszkád erősödésének adaptív szabályozásának. Lamb és Pugh 1992-ben kifejlesztett egy módszert a fototranszdukciós kaszkád erősödésének becslésére a villanásválaszok kezdeti emelkedő fázisának elemzéséből. Később a Nikonov et al. 2000 által tárgyalt egyéb vizsgálatok kimutatták, hogy ez a meredekség csökkent a háttérvilágítás során bemutatott villanások esetében, vagy amikor az intracelluláris Ca2+-t mesterségesen csökkentették sötétben, arra a következtetésre jutva, hogy ez egy Ca2+ visszacsatolási rendszert tükröz, amely csökkenti a kaszkád erősödését a fényadaptáció során. Jelen tanulmányban Nikonov és munkatársai (2000) azt mutatják, hogy olyan háttérfényintenzitások esetén, amelyek a fényérzékeny csatornák akár 80%-át is lezárják, és az intracelluláris Ca2+ körülbelül ötszörös csökkenését eredményezik, a villanásválaszok nagyon kezdeti emelkedő fázisa valójában nem változik. Arra a következtetésre jutottak, hogy a háttérfény vagy a csökkent intracelluláris Ca2+ által kiváltott erősödésnek az irodalomban leírt látszólagos csökkenése valószínűleg a PDE-aktivitás megnövekedett állandó szintjének és a fotoexcitált rodopszin kioltásának megnövekedett sebességének köszönhető, ami miatt a fotoresponzív válasz nagyon korai időpontokban kihámozódik egy invariáns kezdeti pályáról.

Nikonov és munkatársai most azt a nézetet terjesztették elő, hogy a Ca2+ visszacsatolás a fényadaptációban szinte kizárólag a fotoreceptor érzékenység növelésére szolgál, nem pedig a fotoreceptor deszenzitizáció mechanizmusaként. Bár ez paradoxonként hangozhat, a Ca2+ visszacsatolás által közvetített tartománybővítés szenzibilizáló hatása már az első publikációkban is nyilvánvaló volt, amelyek a fény által kiváltott Ca2+ csökkenés jelentőségét mutatták ki a fényadaptációban (Matthews és mtsai. 1988; Nakatani és Yau 1988). Ezekben a vizsgálatokban a Ca2+ visszacsatolás gátlása állandó háttérvilágítás alatt a villanásérzékenység katasztrofális csökkenését okozta. A Ca2+ visszacsatolás nagymértékben megakadályozta az érzékenység csökkenését, és ∼100-szorosára növelte a fotoreceptor működési tartományát (lásd Matthews és mtsai. 1988 2. ábra). A Nikonov és munkatársai 2000-es cikkének eleganciája az, hogy egyértelmű módot találtak arra, hogy szétválasszák mind a deszenzibilizáló, mind a szenzibilizáló mechanizmusok szerepét a teljes adaptációs folyamatban.

Ez visszavezet minket a fényadaptáció meghatározásához a fotoreceptorokban. Ahogy fentebb említettük, az adaptációt általában a sejtek deszenzibilizációjának és a válasz gyorsításának kombinációjaként definiálják. A Nikonov et al. 2000 azt sugallja, hogy újra kell definiálni az adaptációt, hogy az három, egymással összefüggő jelenséget foglaljon magában: a sejtek deszenzibilizációját, a válasz gyorsulását és a működési tartomány kiterjesztését. Az egyes molekuláris mechanizmusok hozzájárulhatnak e három jellemző közül egyhez vagy többhöz. Amint azt Pugh és munkatársai 1999-ben felvázolták, a pálcikákban a deszenzitizáció magában foglalja az állandó cGMP-hidrolízis növekedését, a jelkompressziót és a rhodopszin élettartam Ca2+/recoverin általi csökkenését. A válasz gyorsulása a megnövekedett állandósult cGMP-hidrolízist és a rodopszin élettartamának csökkenését foglalja magában. A tartomány kiterjesztése három Ca2+-függő folyamatot foglal magában: a cGMP-szintézis növekedését; a csatornák cGMP-érzékenységének növekedését; és a fotoaktivált rodopszin élettartamának rövidülését.

Nikonov és munkatársai 2000-ben részletes matematikai modellt adnak a gerinces pálcikák fototranszdukciójáról és fényadaptációjáról, amely gyakorlatilag az összes jól ismert biokémiai mechanizmuson alapul. Az ilyen jellegű modellezés természetesen sok paramétert tartalmaz, amelyek a válaszok illesztésekor sok teret hagynak a kétértelműségnek. Jelen és egy korábbi cikkben azonban Nikonov és munkatársai (Nikonov et al. 1998, Nikonov et al. 2000) számos kulcsfontosságú fiziológiai és biokémiai paramétert kísérleti úton, egymástól függetlenül becsültek meg. Ez szinte teljesen kiküszöböli a paraméterek önkényes manipulálását, és növeli a modellből levont következtetések robusztusságát.

A fototranszdukció és a fényadaptáció Nikonov és munkatársai által nyújtott kvantitatív leírásával mi marad ismeretlen? A következő három példát közöljük itt. Először is, bár Nikonov és munkatársai nem találtak bizonyítékot a fototranszdukciós erősítés szabályozására kísérleti körülményeik között, még nem tudjuk, hogy az erősítés szabályozása magasabb megvilágítási szinteken, hosszabb időskálán vagy különböző fajoknál bekövetkezik-e vagy sem. Ha igen, az további biokémiai mechanizmusok és molekuláris komponensek létezését feltételezné, amelyek nem szerepelnek a fototranszdukció jelenlegi sémájában. Másodszor, keveset tudunk a kúpok fényadaptációjának hátterében álló molekuláris mechanizmusokról. A kúpok szélesebb tartományt képesek lefedni, mint a pálcikák, és gyakorlatilag lehetetlen folyamatos háttérfénnyel telíteni őket. A jövőbeni vizsgálatoknak annak megértésére kell irányulniuk, hogy a kúpok teljes adaptációját meg lehet-e magyarázni a pálcikákhoz hasonló, talán hatékonyabb adaptációs mechanizmusokkal, vagy további egyedi mechanizmusokra van szükség. Harmadszor, a vizuális feldolgozás magasabb szintjén nem ismert, hogy az egyes fotoreceptorok adaptációja hogyan járul hozzá a teljes vizuális rendszer adaptációjához. Még nem tudjuk, hogy a fotoreceptorok fényadaptációjának három összetevője, a sejtek deszenzitizációja, a válasz gyorsítása és az érzékenységi tartomány kiterjesztése közül bármelyik hogyan okozhatja, hogy a fényadaptált látásunk gyorsabban, jobb kontrasztérzékenységgel és nagyobb térbeli felbontással működjön.