Farb-Opsine: Wie wir Farben sehen

Eine aktuelle Charité-Studie veröffentlicht im Fachjournal „Science“ beschreibt erstmals Farbseh-Pigmente in Aktion.

Das menschliche Auge ist in der Lage, Hunderte von Farbtönen voneinander zu unterscheiden. Das gelingt ihm mit nur drei verschiedenen Photopigmenten: den sogenannten Farb-Opsinen. Diese sitzen in den Zapfen-Zellen der Netzhaut. Forschenden der Charité – Universitätsmedizin Berlin und der Nanchang University, China, ist es nun erstmals gelungen, die molekulare Struktur aller drei menschlichen Farb-Opsine im aktiven Zustand darzustellen. Im Fachmagazin „Science“ beschreiben sie, wie die drei Opsine auf jeweils bestimmte Lichtwellen reagieren und so das Farbsehen über die drei Grundfarben ermöglichen.

Warum die Struktur von Farb-Opsinen so lange verborgen blieb

Die Zapfen und ihre entsprechenden Opsine sind viel seltener als das Rhodopsin der Stäbchenzellen und schwierig zu isolieren. „Man musste erst lernen, genügend Farb-Opsine in Zellkulturen herzustellen, in den aktiven Zustand zu bringen, anschließend zu isolieren und dann mit dem Elektronenmikroskop zu untersuchen“, erklärt Dr. Patrick Scheerer. Er trug 2008 als Doktorand am Institut für Medizinische Physik und Biophysik der Charité wesentlich dazu bei, die Struktur des Rhodopsins im aktiven Zustand aufzuklären. „Das war ein aufwändiger Prozess, und deshalb hat es so lange gedauert, bis wir nun endlich auch die Farb-Opsine strukturell beschreiben konnten.“ Scheerer leitet nun die Arbeitsgruppe Strukturbiologie der zellulären Signalübertragung am selben Institut. Er ist einer der beiden leitenden Autoren der aktuellen Publikation.

Alle drei Farb-Opsine enthalten, ebenso wie das Rhodopsin der Stäbchen, als lichtempfindlichen Bestandteil das Vitamin-A-Derivat Retinal. Es ist jeweils fest an das Opsin-Protein gebunden. Wird es durch Licht getroffen, klappt es gewissermaßen an einer bestimmten Stelle um. Das gewinkelte 11-cis-Retinal wird zum gestreckten all-trans-Retinal. Dadurch verändert sich auch die Form des Opsins selbst und versetzt es in den aktiven Zustand. Das aktivierte Opsin löst eine biochemische Signalkette aus. Diese wird über Nervenreize vom Auge zum Gehirn weitergeleitet und verarbeitet und führt schließlich zur Farbwahrnehmung.

Kryo-Elektronenmikroskopie ermöglicht detaillierten Blick

„In diesem gemeinsamen Projekt wurden die drei Farb-Opsine aus Zellkulturen isoliert und im aktiven Zustand, also an das all-trans-Retinal gekoppelt, schnell auf ultratiefe Temperaturen heruntergekühlt, damit ihre Strukturen im aktiven Zustand bleiben“, erklärt Scheerer das aufwändige Vorgehen. Mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie ließen sich hochaufgelöste zweidimensionale Aufnahmen im Ångström-Bereich erstellen und so einzelne Aminosäuren erkennen.

Aus diesen Aufnahmen konnten die Forschenden die detaillierte dreidimensionale Struktur der Opsine rekonstruieren. „Dabei hat sich gezeigt, dass das Opsin, das auf blaues Licht – also kurze Lichtwellen – reagiert, eher dem Rhodopsin der Stäbchen ähnelt“, berichtet Scheerer. „Die Opsine für grünes beziehungsweise rotes Licht, also mittel- beziehungsweise langwellige Reize, unterscheiden sich davon deutlich. Insbesondere die Aminosäure-Umgebung des jeweiligen Opsins um das Retinal herum variiert. Das erklärt, warum sie unterschiedlich empfindlich auf die Lichtwellenlängen reagieren.“ So regt farbiges Licht die verschiedenen Zapfen unterschiedlich stark an und ruft in der Kombination sowie der komplexen Weiterverarbeitung das Farbempfinden im Gehirn hervor.

_{Blau-Opsin. So sieht das Molekül aus, mit dem wir blaues Licht wahrnehmen: Das Retinal (orange) nimmt das Licht auf, klappt um und verändert die Form des Blau-Zapfenopsins (blau). Dieses ist verbunden mit einem G-Protein (rot/schwarz/grün), das die Formveränderung in biochemische Prozesse umwandelt und schließlich die Farbwahrnehmung auslöst.Bild:©Charité/Patrick Scheerer}

Wichtige Proteinfamilie für die Medizin

Alle humanen Opsine gehören zur Proteinfamilie der sogenannten G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCR). GPCR vermitteln die Wirkung zahlreicher Hormone und Neurotransmitter und sind an einer Vielzahl wichtiger Vorgänge beteiligt, darunter Entzündungsreaktionen, Appetitregulation und Wachstum. Darüber hinaus spielen sie eine zentrale Rolle bei Sinneswahrnehmungen wie Geruchs-, Geschmacks- und eben Lichtreizen. Der allererste GPCR, dessen Struktur aufgeklärt werden konnte, war tatsächlich das Rhodopsin. Hier ist Licht der Reiz, der das Retinal verändert und so den GPCR aktiviert. Längst spielen die über 800 verschiedenen GPCR eine zentrale Rolle sowohl in der medizinischen Anwendung als auch in der Entwicklung neuer Medikamente.

„Unsere Arbeit ist daher nicht nur wissenschaftlich interessant“, so Scheerer. „Es gibt zahlreiche Mutationen in den Opsin-Genen, die mit verschiedenen Augenkrankheiten oder Sehstörungen einhergehen. Wenn wir die Struktur der Opsine nun besser kennen, können wir die Mutationen präziser einordnen und ihre Auswirkungen besser verstehen.“

Auch für Schlaf-Wach-Rhythmus wichtig

Als nächstes Projekt hat sich das Team um Scheerer das Melanopsin vorgenommen, das ebenfalls in lichtempfindlichen Zellen in der Netzhaut sitzt. Diese leiten ihre Signale an die Epiphyse und den Hypothalamus weiter und spielen damit eine wichtige Rolle für den Schlaf-Wach-Rhythmus. Darüber hinaus gibt es noch einige weitere Opsin-Gene, vermutlich für Opsine, die nichts mit dem Sehen zu tun haben. „Unser Ziel ist es zu verstehen, wodurch sich die einzelnen Opsine strukturell und funktionell unterscheiden“, schließt Scheerer.