Rot-Grün-Farbsehen: Molekulare Grundlage entschlüsselt

Forschende aus Japan haben gezeigt, dass allein drei Aminosäureänderungen in Zapfenpigmenten für nahezu alle Unterschiede in der Wahrnehmung von rotem und grünem Licht verantwortlich sind.

Das menschliche Farbsehen beruht auf drei Arten von Zapfenzellen in der Netzhaut. Obwohl alle drei das gleiche lichtabsorbierende Molekül – 11-cis-Retinal – enthalten, bestimmen Unterschiede im umgebenden Protein die Empfindlichkeit für rotes, grünes oder blaues Licht. Bisher war es schwierig zu verstehen, wie diese feinen Proteinunterschiede eine so präzise Farbunterscheidung ermöglichen. Denn Zapfenpigmente sind äußerst instabil und strukturell schwer zu untersuchen.

Farbsystem Macaca fascicularis ähnelt stark dem des Menschen

Nun haben Forscher unter der Leitung von Associate Professor Kota Katayama vom Nagoya Institute of Technology (Japan) die roten und grünen Zapfenpigmente des Javaneraffen Macaca fascicularis untersucht. Dessen Farbsehsystem ähnelt stark dem des Menschen. Sie fanden heraus, dass lediglich der Austausch von drei Aminosäure für fast den gesamten Unterschied von 30 nm in der Lichtabsorption zwischen den beiden Pigmenten verantwortlich sind.

Zum Forschungsteam gehörten Massimo Olivucci von der Universität Siena und der Bowling Green State University. Außerdem waren Hideaki Kato von der Universität Tokio sowie Hideki Kandori vom Nagoya Institute of Technology beteiligt. Die Forschenden haben ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift „Science“ veröffentlicht.

„Diese Studie beschreibt erstmals die dreidimensionalen Strukturen der rot- und grünempfindlichen Zapfenpigmente von Primaten im Dunkelzustand. Langfristig könnte dieses Wissen Forschern helfen zu verstehen, wie genetische Variationen die Farbwahrnehmung verändern und zu Farbfehlsichtigkeiten sowie anderen Sehstörungen beitragen“, erklärt Katayama.

Spektrale Verschiebung zwischen Rot und Grün durch den Austausch von drei Aminosäuren bestimmt

Die roten und grünen Zapfenpigmente von Makaken und Menschen stimmen zu etwa 98 Prozent in ihrer Aminosäuresequenz überein. Sie bewahren wichtige Aminosäurereste, die bekanntermaßen die Farbempfindlichkeit beeinflussen. Damit eignen sich Makaken hervorragend als Modellsysteme für die Erforschung des menschlichen Farbsehens.

Um zu klären, warum rote und grüne Zapfenpigmente Licht unterschiedlicher Wellenlänge absorbieren, verglichen die Forscher deren Strukturen. Gleichzeitig erstellten sie detaillierte Computermodelle jenes Proteinbereichs, der das lichtabsorbierende Retinal-Chromophor beherbergt. Die Wissenschaftler konzentrierten sich auf drei Aminosäurepositionen, in denen sich die Pigmente unterscheiden. Hier erzeugten sie mutierte Proteine, bei denen diese Reste durch die im roten Pigment vorkommenden Varianten ersetzt wurden. Anschließende analysierten die Forschenden die Auswirkungen dieser Austausche auf die Lichtabsorption.

_{Bei den Zapfenpigmenten von Makaken sind lediglich drei Aminosäureaustausche (A180S, F277Y und A285T) für fast die gesamte Verschiebung der Lichtabsorption um 30 nm verantwortlich, die der Rot-Grün-Farbunterscheidung zugrunde liegt.Illustration:©Associate Prof. Kota Katayama vom Nagoya Institute of Technology, Japan}

Die Experimente ergaben, dass die spektrale Verschiebung zwischen Rot und Grün maßgeblich durch den Austausch von drei Aminosäuren bestimmt wird: A180S, F277Y und A285T. Durch diesen Austausch wird die Form des Retinal-Chromophors nicht wesentlich verändert. Stattdessen verwandeln sie das elektrostatische Umfeld des Retinal-Chromophors. Dadurch absorbiert jedes Pigment Lichtwellenlängen, die sich geringfügig voneinander unterscheiden. Die größte Auswirkung hat dabei die Positionierung eines Threonin-Rests mit einer Hydroxylgruppe in der Nähe des Retinal-Chromophors.

Öffnung in Zapfenpigmenten entdeckt

Die Forschenden entdeckten zudem eine bislang unbekannte, zur Membran hin gerichtete Öffnung in den Zapfenpigmenten. Diese fehlt beim Rhodopsin. Diese Öffnung könnte erklären, warum sich Zapfenpigmente wesentlich schneller regenerieren, was ein kontinuierliches Farbsehen bei hellem Licht ermöglicht.

„Kleine Veränderungen in der Sequenz stimmen die Farbwahrnehmung ab, indem sie das elektrostatische Umfeld des Retinal-Chromophors umgestalten, während spezifische Zugangswege zur Membran einen effizienten Austausch des Retinal sowie eine rasche Regeneration der Sehfarbstoffe ermöglichen“, so Katayama.

Diese Ergebnisse verdeutlichen den Forschenden zufolge, wie subtile Veränderungen in der Umgebung des Chromophors und in der Struktur der Zapfenpigmente sowohl eine präzise Farbunterscheidung als auch eine schnelle Regeneration ermöglichen. Die Wissenschaftler erhoffen sich, dass diese strukturellen Erkenntnisse auch künftige Ansätze in der Wirkstoffentwicklung, die auf visuelle Photorezeptoren und andere G-Protein-gekoppelte Rezeptoren abzielen, unterstützen könnten.

(sas/BIERMANN)