Zapfenopsine: Neue Einblicke in das menschliche Sehen

Forschende unter der Leitung von Polina Isaikina vom Paul Scherrer Institut (PSI) haben die dreidimensionale molekulare Struktur menschlicher Zapfenopsine im Dunkelzustand, vor ihrer Aktivierung durch Licht, bestimmt.

Sie lassen uns die Welt in Farben sehen, Objekte um uns herum scharf erkennen und ermöglichen uns, schnelle Bewegungen wahrzunehmen. Die Rede ist von Zapfenopsinen – winzigen, lichtempfindlichen Rezeptorproteinen in unserer Netzhaut. Doch diese Alleskönner des Tageslichtsehens sind häufig auch an Netzhauterkrankungen beteiligt. Eine Beeinträchtigung der Funktion der Zapfenrezeptoren, verursacht durch genetische Mutationen oder andere degenerative Prozesse, kann zu Erkrankungen wie Farbblindheit führen. Zudem kann sie zu altersbedingter Makuladegeneration (AMD) führen.

In einer neuen Studie ist es Polina Isaikina und Sarah L. Schmidt, zwei Forscherinnen vom Zentrum für Life Sciences am PSI, gelungen, erstmals die dreidimensionale Struktur menschlicher Zapfenopsine im Dunkelzustand zu bestimmen. Zudem konnten sie zeigen, wie ihre molekulare Architektur ihre schnelle Aktivierung durch Licht ermöglicht. Dies liefert wichtige neue Einblicke in das menschliche Sehen und seine Evolution. Darüber hinaus eröffnet es neue Ansatzpunkte für die Erforschung bislang kaum behandelbarer Augenerkrankungen. Die Studie wurde in Zusammenarbeit mit Kolleginnen und Kollegen am PSI, der Extreme Light Infrastructure in Tschechien sowie der Universität Tokio in Japan durchgeführt. Die Ergebnisse der Untersuchungen wurden in der Fachzeitschrift „Science“ veröffentlicht.

Zapfenopsine: Unruhige Gesellen

Zapfenopsine sind Photorezeptorproteine, die in den Zapfenzellen vorkommen. Sie liegen dicht gepackt in der Fovea centralis. Wir Menschen haben sechs bis sieben Millionen Zapfen in jedem Auge. Ihre Rezeptorproteine werden durch Licht aktiviert. Dadurch lösen sie eine Signalkaskade aus, die letztlich elektrische Signale erzeugt, die vom Gehirn verarbeitet werden. Da dieser Prozess extrem schnell abläuft, ermöglichen es uns die Zapfenopsine, bewegte Objekte mit den Augen zu verfolgen. Allerdings sind sie hauptsächlich bei Tageslicht aktiv. Bei wenig Licht, in der Dämmerung und nachts, übernimmt das Stäbchenopsin in den Stäbchenzellen diese Aufgabe.

Die dreidimensionale Struktur der Zapfenopsine vor Aktivierung durch Licht sowie die Gründe für ihre außergewöhnlich schnellen Reaktionen, waren bislang nur schwer zu entschlüsseln. Diese Rezeptoren sind sehr dynamisch und können sich selbst im Dunkeln spontan aktivieren. Das erschwert ihre Isolierung in einem einzelnen, klar definierten Zustand erheblich.

Um versehentliche Aktivierungen zu vermeiden, arbeiteten die Forschenden im Labor ausschließlich unter sehr schwachem rotem Licht bei Wellenlängen, die für die Zapfenopsine kaum empfindlich sind. „Um die dreidimensionale Struktur dieser Rezeptoren im Dunkelzustand zu bestimmen und ihre schnelle Aktivierung zu verstehen, mussten wir große technische Hürden überwinden“, erklärt Isaikina. „Dazu mussten wir mehrere fortgeschrittene Methoden kombinieren. Unter anderem setzten wir Kryo-Elektronenmikroskopie, ultraschnelle Laserspektroskopie, biochemische und zelluläre Tests ein. Zusätzlich nutzten wir computergestützte Werkzeuge, mit deren Hilfe wir diese Rezeptoren gezielt optimieren und für detaillierte Untersuchungen stabilisieren konnten.“

Die Mühe hat sich gelohnt: Das Forschungsteam präsentiert nun erstmals die Strukturen menschlicher Zapfenopsine, speziell der blau- und grünempfindlichen Varianten in ihrem inaktiven Zustand im Dunkeln. Obwohl das rote Zapfenopsin nicht direkt untersucht wurde, deutet seine enge genetische Ähnlichkeit mit dem grünen darauf hin, dass ähnliche molekulare Prinzipien gelten dürften.

Manövrierraum für ein Molekül

Um zu verstehen, warum Zapfenopsine Lichtimpulse im Handumdrehen in elektrische Signale umwandeln können, lohnt sich ein Blick auf ihren strukturellen Aufbau. „Im Zentrum jedes Zapfenopsins befindet sich das sogenannte Retinal, ein lichtempfindliches Molekül, das aus Vitamin A gebildet wird.“, erklärt Schmidt, Doktorandin und Erstautorin der Studie.

Wenn Licht auf das Auge trifft, überträgt es Energie auf das Retinal, wodurch dieses seine Form verändert. Das ist wiederum der Auslöser für die Aktivierung des Photorezeptors und die Erzeugung eines elektrischen Signals ans Gehirn, wo die visuellen Informationen verarbeitet werden. „Unsere neuen strukturellen und funktionellen Daten deuten darauf hin, dass Zapfenopsine auf schnelle Signalübertragung ausgelegt sind“, so Schmidt.

Ihre molekulare Struktur umfasst ein Netzwerk von internen „Mikroschaltern“, durch die sie sich mit ihrem intrazellulären Signalpartner, dem transduzierenden G-Protein, verbinden können. Da diese Wechselwirkung bereits im Ruhezustand stattfindet, kann die Signalübertragung extrem schnell ablaufen, sobald Licht absorbiert wird. Diese molekulare Bereitschaft erklärt, wie Zapfenopsine das Sehen bei Tageslicht ermöglichen.

Ein weiterer Faktor, der zur Geschwindigkeit der Zapfenopsine beiträgt, liegt in der Architektur der Retinal-Bindungsstelle. Im grünen Zapfenopsin beispielsweise ist diese Bindungstasche am Ein- und Austritt relativ offen. Dadurch kann das Retinal nach einem Lichtimpuls schnell ausgetauscht werden, sich also auf den nächsten Impuls vorbereiten. Dieser schnelle Austausch ermöglicht eine rasche Aktualisierung visueller Informationen im Gehirn.

Die PSI-Forschenden entdeckten jedoch noch etwas anderes: Die Retinal-Bindungstasche des blauempfindlichen Opsins ist kompakter und weist gewissermaßen „geschlossene Türen“ auf, die die Bewegung des Retinals wirksam einschränken. Daher ist ein Lichtreiz mit höherer Energie erforderlich, um eine Formänderung des Retinal-Liganden zu bewirken. Blaues Licht trägt von Natur aus mehr Energie als grünes oder rotes Licht. Daher eignet es sich besonders gut, um diesen Übergang auszulösen. Im Gegensatz dazu kann sich das Retinal im grünempfindlichen Opsin deutlich freier bewegen. So reagiert der Rezeptor bereits auf energieärmeres grünes Licht. Außerdem kann sich der Rezeptor sogar ohne Licht spontan aktivieren.

Zapfenopsine als therapeutische Ziele

Die Ergebnisse dieser Studie könnten das Verständnis von Augenerkrankungen, bei denen Photorezeptoren in den Zapfenzellen verloren gehen oder nicht richtig funktionieren, verbessern. Weltweit sind Hunderte Millionen Menschen von verschiedenen Formen von Sehbeeinträchtigungen betroffen. Etwa fünf Prozent der Weltbevölkerung leiden beispielsweise an Farbsehstörungen, überwiegend Männer. Schwerere Formen der AMD können zu einem Verlust des zentralen Sehens führen. In fortgeschrittenen Fällen kann AMD zur Erblindung führen.

„Unsere neuen Ergebnisse liefern detaillierte molekulare und strukturelle Einblicke in die Funktionsweise der Zapfenopsine“, erörtert Isaikina. „Ein detailliertes strukturelles Verständnis dieser Mechanismen hilft uns zu erkennen, wo bei solchen Erkrankungen etwas schiefläuft und wo gezielte Therapien ansetzen könnten.“

Langfristig erhoffen sich die Forschenden, dass ihre Ergebnisse die Entwicklung von Medikamenten die gezielt an Zapfenopsinen ansetzen voranbringen. Diese könnten dann deren Funktion stabilisieren und den Sehverlust verlangsamen. Die neuen Erkenntnisse aus der Studie eröffnen zudem Möglichkeiten für die Entwicklung präziserer optogenetischer Behandlungen. Dabei werden lichtempfindliche Proteine so verändert, dass sie zelluläre Signalprozesse wiederherstellen oder modulieren.