Введение
Белки млекопитающих, обнаруженные у человека (Homo sapiens).
Меланопсин – это тип фотопигмента, принадлежащий к более широкому семейству светочувствительных белков сетчатки, называемых опсинами, и кодируемый геном Opn4. Он также содержится в радужной оболочке мышей и приматов. Меланопсин также встречается у крыс, ланцетников и других хордовых. ipRGC – это фоторецепторные клетки, особенно чувствительные к поглощению коротковолнового (синего) видимого света, которые передают информацию непосредственно в область мозга, называемую супрахиазматическим ядром (SCN), также известное как центральные "биологические часы" у млекопитающих. Меланопсин также экспрессируется в колбочках человека. Однако, меланопсин экспрессируется лишь в 0,11–0,55% колбочек человека и обнаруживается исключительно в периферических областях сетчатки. Периферическая сетчатка человека воспринимает свет высокой интенсивности, что лучше всего объясняется четырьмя различными классами фотопигментов.
Открытие
Меланопсин был обнаружен Игнасио Провенсио в 1998 году как новый опсин в меланофорах, или светочувствительных клетках кожи, африканской когтистой лягушки. Год спустя исследователи выяснили, что мыши, у которых отсутствовали палочки и колбочки – клетки, участвующие в формировании изображения, – всё равно синхронизировались с циклом свет-темнота. Это наблюдение позволило сделать вывод, что для циркадной синхронизации не нужны ни палочки, ни колбочки, расположенные во внешней сетчатке, и что в глазу млекопитающих существует третий класс фоторецепторов. В 2000 году Провенсио и его коллеги обнаружили, что меланопсин присутствует также в сетчатке мыши, в частности, в ганглиозных клетках, и что он опосредует незрительные фоторецептивные функции. Эти клетки составляют третий класс фоторецепторов в сетчатке млекопитающих, наряду с уже известными палочками и колбочками, и были показаны как основной путь поступления световой информации для циркадной фотоэнтрейнмента.
Распределение видов
У млекопитающих есть ортологичные гены меланопсина Opn4m, происходящие из одной ветви семейства Opn4, и сохраняющие примерно 50-55% сходства. Млекопитающие утратили ген Opn4x относительно рано в ходе эволюции, что привело к общему снижению фотосенсорных способностей. Считается, что это произошло в период эволюции ночных млекопитающих и может быть этим объяснено. У не-млекопитающих позвоночных меланопсин обнаруживается в более широком подмножестве клеток сетчатки, а также в фоточувствительных структурах вне сетчатки, таких как мышца радужной оболочки глаза, глубокие области мозга, шишковидная железа и кожа. Паралогами Opn4 являются OPN1LW, OPN1MW, родопсин и энцефалопсин. Меланопсин, как и все другие животные опсины (например, родопсин), представляет собой рецептор, сопряженный с G-белком (GPCR). Белок меланопсина имеет внеклеточный N-концевой домен, внутриклеточный C-концевой домен и семь альфа-спиралей, пронизывающих плазматическую мембрану. Этот лизин ковалентно связывается с ретиналем через основание Шиффа, что делает меланопсин светочувствительным. Эта чувствительность утрачивается при замене лизина на аланин. Меланопсин более тесно связан с визуальными опсинами беспозвоночных, которые являются рабдомерными опсинами, чем с визуальными опсинами позвоночных, которые являются клиарными опсинами. Это также отражается в нисходящем каскаде передачи сигнала: меланопсин в ipRGC связывается с G-белками Gq, G11 и G14, все относящиеся к типу Gq. Фактически, они могут функционально заменять друг друга, поскольку выключение только двух из них не вызывает фенотипических изменений. G-белки активируют фосфолипазу C PLCB4. Как и другие рабдомерные опсины, меланопсин обладает собственной фотоизомеразной активностью.
Функция
Меланопсинсодержащие ганглиевые клетки, как и палочки и колбочки, проявляют адаптацию к свету и темноте; они регулируют свою чувствительность в соответствии с недавней историей воздействия света. Однако, в то время как палочки и колбочки отвечают за восприятие изображений, узоров, движения и цвета, меланопсинсодержащие ipRGC способствуют различным рефлекторным реакциям мозга и тела на присутствие света и обладают внутренней функцией регенерации фотоизомеразы, сдвинутой хроматически в сторону более длинных волн. Меланопсиновые фоторецепторы чувствительны к широкому диапазону длин волн и достигают пика поглощения света при длине волны синего света около 480 нанометров. Другие длины волн света активируют меланопсиновую сигнальную систему с уменьшающейся эффективностью по мере удаления от оптимальных 480 нм. Например, более короткие длины волн около 445 нм (ближе к фиолетовому в видимом спектре) вдвое менее эффективны для стимуляции меланопсиновых фоторецепторов, чем свет при 480 нм. ipRGC в сетчатке млекопитающих являются одним из концов сетчатко-гипоталамусного тракта, который проецируется в супрахиазматическое ядро (SCN) гипоталамуса. Супрахиазматическое ядро часто описывается как "главные часы" мозга, поскольку оно поддерживает циркадный ритм, а нервные сигналы от ipRGC к SCN синхронизируют внутренний циркадный ритм с восходом и заходом солнца. Считается, что меланопсинсодержащие ганглиевые клетки влияют на эти структуры, высвобождая нейромедиаторы глутамат и полипептид, активирующий аденилатциклазу гипофиза (PACAP), из своих аксонных терминалей. Меланопсинсодержащие ганглиевые клетки также получают входные сигналы от палочек и колбочек, которые могут усиливать входные сигналы в эти пути.
Влияние на циркадный ритм
Меланопсин играет важную роль в фотоэнтрейменте циркадных ритмов у млекопитающих. Организм, подвергшийся фотоэнтрейменту, синхронизировал свою активность с приблизительно 24-часовым циклом – солнечным циклом на Земле. У млекопитающих аксоны, экспрессирующие меланопсин, направляются в супрахиазматическое ядро (SCN) по ретиногипоталамуческому тракту (RHT). У млекопитающих глаз является основным светочувствительным органом для передачи световых сигналов в мозг. Однако слепые люди все еще способны синхронизироваться с циклом свет-темнота в окружающей среде, несмотря на отсутствие сознательного восприятия света. В одном исследовании испытуемые подвергались воздействию яркого света в течение продолжительного времени, и измерялась концентрация мелатонина. Мелатонин подавлялся не только у людей с нормальным зрением, но и у слепых участников, что указывает на то, что фотонный путь, используемый циркадной системой, остается функционально целым, несмотря на слепоту. Поэтому врачи больше не практикуют энуклеацию слепых пациентов, то есть удаление глаз при рождении, поскольку глаза играют критическую роль в фотоэнтрейменте циркадного пейсмейкера. У мутантных линий мышей, у которых отсутствовали только палочки, только колбочки или и те, и другие, все линии мышей все еще синхронизировались с изменяющимися световыми стимулами в окружающей среде, но с ограниченным ответом, что позволяет предположить, что палочки и колбочки не необходимы для циркадного фотоэнтреймента и что глаз млекопитающего должен содержать другой фотопигмент, необходимый для регуляции циркадных часов. Это указывает на то, что, хотя меланопсин достаточен для энтреймента, он должен работать в сочетании с другими фотопигментами для нормальной активности фотоэнтреймента. Тройные мутантные мыши, у которых отсутствовали палочки, колбочки и меланопсин, демонстрируют полную потерю циркадных ритмов, следовательно, все три фотопигмента в этих фоторецепторах – родопсин, фотопсин и меланопсин – необходимы для фотоэнтреймента. Таким образом, существует функциональная избыточность между этими тремя фотопигментами в пути фотоэнтреймента у млекопитающих. Удаление только одного фотопигмента не устраняет способность организма синхронизироваться с циклами свет-темнота в окружающей среде, но снижает интенсивность ответа.
Регулирование
Меланопсин подвергается фосфорилированию на своем внутриклеточном карбоксильном конце для деактивации его функции. По сравнению с другими опсинами, меланопсин обладает необычно длинным карбоксильным концом, содержащим 37 аминокислотных остатков серина и треонина, потенциально подвергающихся фосфорилированию. Однако для деактивации меланопсина у рыбы-зебры достаточно кластера из семи аминокислот. Эти остатки дефосфорилируются при воздействии света на меланопсин и отличаются от тех, которые регулируют родопсин. Они важны для адекватного ответа на ионы кальция в ipRGC; отсутствие функциональных сайтов фосфорилирования, особенно в серине 381 и серине 398, снижает реакцию клетки на приток ионов кальция, индуцированный светом, при открытии вольтаж-зависимых кальциевых каналов. Что касается гена Opn4, дофамин (DA) является фактором, регулирующим мРНК меланопсина в ipRGC.
Клиническое значение
Открытие роли меланопсина в не образующем изображения зрении привело к развитию оптогенетики. Эта область показала многообещающие результаты в клинических применениях, включая лечение заболеваний глаз человека, таких как пигментный ретинит и диабет. Неправильный смысл кодона в гене Opn4, P10L, был обнаружен у 5% пациентов с сезонным аффективным расстройством (САР). Это состояние, при котором у людей зимой возникают депрессивные мысли из-за уменьшения количества доступного света. Кроме того, рецептор на основе меланопсина связан с болью при мигрени.
Восстановление зрения
Недавно были проведены исследования роли меланопсина в оптогенетической терапии пациентов с дегенеративным заболеванием глаз пигментным ретинитом (РП). Повторное введение функционального меланопсина в глаза мышей с дегенерацией сетчатки восстанавливает зрачковый световой рефлекс (PLR). Эти же мыши также могли различать световые и темные стимулы и демонстрировали повышенную чувствительность к комнатном освещению. Повышенная чувствительность, продемонстрированная этими мышами, вселяет надежду на восстановление зрения, которое может быть применимо к людям и другим заболеваниям глаз.
Контроль режимов сна и бодрствования
Меланопсин может способствовать регулированию циклов сна и бодрствования. Цунематсу и его коллеги создали трансгенных мышей, экспрессирующих меланопсин в гипоталамусных орексиновых нейронах. С помощью короткого 4-секундного импульса синего света (доставленного по оптическим волокнам) трансгенные мыши успешно переходили от медленноволнового сна (SWS), обычно называемого "глубоким сном", к продолжительному бодрствованию. После выключения синего света нейроны орексина гипоталамуса демонстрировали активность в течение нескольких десятков секунд. Показано, что колбочки и палочки не участвуют в инициировании сна под воздействием света, что отличает их от ipRGC и меланопсина. Это предоставляет веские доказательства связи между ipRGC у человека и состоянием бодрствования, особенно при воздействии высокочастотного света (например, синего света). Следовательно, меланопсин может быть использован в качестве терапевтической цели для контроля цикла сон-бодрствование.
Регулирование уровня глюкозы в крови
В статье, опубликованной Ye и коллегами в 2011 году, меланопсин был использован для создания оптогенетического синтетического транскрипционного устройства, которое было протестировано в терапевтических целях для производства Fc-глюкагона, подобного пептиду-1 (Fc GLP-1) – белка-слияния, помогающего контролировать уровень глюкозы в крови у млекопитающих с диабетом II типа. Исследователи подкожно имплантировали мышам микроэнкапсулированные трансгенные клетки HEK 293, которые были котрансфицированы двумя векторами, содержащими ген меланопсина и ген интереса, находящийся под контролем промотора NFAT (ядерного фактора активированных Т-клеток) соответственно. Благодаря этому сконструированному пути им удалось успешно контролировать экспрессию Fc GLP-1 у мышей с двойной рецессивной моделью диабета и снизить гипергликемию, то есть повышенный уровень глюкозы в крови, у этих мышей. Это демонстрирует перспективность использования меланопсина в качестве оптогенетического инструмента для лечения диабета II типа.