B Fotoreceptorok

A fotoreceptorok degenerációja a vakság leggyakoribb formája a nyugati világban, és a retina fotoreceptorainak dystrophiája és/vagy elhalása miatt bekövetkező látásvesztéssel jár. Ezek a kórképek nagyjából feloszthatók azokra az állapotokra, amelyek kezdetben a pálcika-fotoreceptorokat érintik, mint például a retinitis pigmentosa (RP), és azokra, amelyek kezdetben a kúp-fotoreceptorokat érintik, mint például a makuladegeneráció.141 Bár a fotoreceptorok degenerációját közvetve az RPE elsődleges hibái is okozhatják, amely fontos funkciót tölt be a fotoreceptorok egészségében és homeosztázisában, ezt a témát egy későbbi szakaszban tárgyaljuk (lásd a II.C. szakaszt).

A fotoreceptorok erősen polarizált érzékelő sejtek, amelyek egy belső szegmensből (IS) állnak, amelyet egy erősen módosított cilium köt össze egy külső szegmenssel (OS) (5. ábra).189 Az érett fotoreceptorokban a fotoreceptor OS-ek növekedéséhez és fenntartásához, valamint a fototranszdukcióhoz szükséges fehérjéket polarizált mikrotubulusok mentén szállítják a bazális IS-ből az apikális OS-be. A fotoreceptorok annyiban hasonlítanak a hámsejtekhez, hogy felszínüket sejtkötések osztják apikális és bazolaterális tartományokra. Centroszómáik az apikális felszínen helyezkednek el, míg sejtmagjaik bazálisan.190 A gerincesek fotoreceptorainak megfelelő fejlődése és későbbi fenntartása a megfelelő apikális-bazális polaritás kialakulásán, valamint a transzportgépezet működésén múlik. Ezért nem meglepő, hogy a gerinceseknél a fotoreceptorok degenerációját okozó több mint 100 ismert genetikai lókusz közül a legtöbb az OS szerkezetét és működését érinti.191

5. ábra. A pálcika- és kúp-fotoreceptorok felépítése. A fotoreceptorsejtek külső szegmensből állnak, amely látópigmenthez kötött membránkorongokat tartalmaz. A belső szegmens a fotoreceptor polarizált sejttestét alkotja, ahol a sejtmag bazálisan helyezkedik el, a cilium pedig apikálisan ered és az OS-be nyúlik. A szinaptikus terminál szinaptikus kapcsolatokat képez a retina interneuronjaival, továbbítva a vizuális bemenetet.161,188

A zebrahalakban végzett genetikai szűrések fényt derítettek e sejtfunkciók molekuláris alapjaira olyan mutánsok izolálásával, amelyekben a fotoreceptorok fejlődése és/vagy fenntartása hibás.24,192,193 Az egyik ilyen mutáns, a mozaikszem (moe), a fotoreceptorokban kiterjesztett apikális funkciókat találtak.20,21 A moe lókusz egy FERM-domént tartalmazó fehérjét kódol, amely komplexet alkot a Crumbs fehérjékkel, amelyekről viszont kimutatták, hogy kritikus szerepet játszanak az apikális-bazális polaritásban Drosophilában, valamint gerincesekben.194-196 Érdekes, hogy a Crumbs humán ortológjának, a CRB1-nek a mutációi olyan retinális fotoreceptor-disztrófiákhoz társulnak, mint az RP 12197 és a Leber-féle veleszületett amaurozis (LCA1; hivatkozás 198,199). Más zebrahal mutánsok, mint a nagie oko (nok) és a heart and soul (has) nem csak a moe mutáns fenotípusát másolják, hanem az általuk kódolt fehérjék (Pals1, illetve PKCi) biokémiai kölcsönhatásba lépnek a Moe-val.20 Továbbá a crb2b, egy zebrahal Crumbs paralóg, morpholino knockdownja az IS méretének csökkenését eredményezi.14 Ezek a vizsgálatok tehát elkezdték feltárni a Crumbs komplex szerepét a gerincesek fotoreceptorainak fejlődésében és betegségében.

A helyes apikális-bazális polaritás kialakulása nemcsak a sejtpolaritást meghatározó determinánsok megfelelő működésétől, hanem azok transzportjától és lokalizációjától is függ. Az ale oko (ako) mutáns retina fotoreceptorai felhalmozzák a Pals1 és PKCλ apikális determinánsokat a sejttestükben, és a fejlődés késői szakaszában kiterjedt fotoreceptor-elhalást mutatnak.19 Az ako lókusz a dynactin komplex p50 alegységét kódolja, amely a dynein motoros komplex részeként fontos szerepet tölt be a rakomány mikrotubulusok mentén történő szállításában.200 Egy másik mutánsban, a mikre oko (mok) mutánsban, amely a dynactin-1 mutációjával rendelkezik, a retina degenerációja legalább részben a fotoreceptorok sejtmagjainak hibás lokalizációja miatt következik be. Meglepő módon az ako mutánsokkal ellentétben az olyan apikális determinánsok, mint a Crumbs és az aPKCλ nem mislokalizálódnak, ami arra utal, hogy a degeneráció ezekben a mutánsokban nem a sejtpolaritás elvesztése miatt következik be. A sejtmag kísérleti miszlokalizációja a dynein motor túlexpressziójával fotoreceptor sejtpusztulást eredményezett, ami alátámasztja a sejtmag pozíciójának szerepét a fotoreceptorok túlélésében.201 Míg a mok fotoreceptorokban a sejtmag pozíciójának hibái sejt-autonóm szerepűnek tűnnek, úgy tűnik, hogy más, nem sejt-autonóm komponensek is szerepet játszanak a mok degenerációjában. Mozaikos elemzések kimutatták, hogy a mutáns fotoreceptorok több mint 2,5-szeres túlélést mutatnak, amikor vad típusú környezetbe kerülnek.17 Ez az eredmény arra utal, hogy a fotoreceptorok egészsége és túlélése a környező sejtek környezeti jeleitől függ. Ezek az eredmények összhangban vannak néhány humán degenerációval, például a RP-vel, ahol a pálcika-specifikus rodopszin kezdeti hibája végül mind a pálcikák, mind a kúpok elvesztéséhez vezet.202

A sejttestből az OS-be történő szállítás is fontos a fotoreceptorok OS-einek a feletti RPE általi folyamatos fagocitózisa miatt elveszett OS-összetevők pótlásához.203 A fotoreceptorokban, akárcsak a csillókban, a transzport az intraflagelláris transzport (IFT) néven ismert folyamat révén történik, és az IFT komponens gének, például az ift57, ift80, ift88 és ift172 mutációi OS atrófiát és/vagy az OS teljes elvesztését eredményezik a zebrahalakban.24-26 Az elipsa gén mutációi, amely egy olyan fehérjét kódol, amely feltételezhetően elősegíti az IFT-t,35 korai fotoreceptor elvesztést eredményeznek,22 míg a retrográd IFT motor dynein-2 több alegységének morfolinó knockdownja rávilágított az IFT fontosságára a megfelelő OS megnyúlásban és a látásfunkcióban.204 Az IFT hibás működéséhez kapcsolódó fotoreceptor-degenerációk a Bardet-Biedl-szindrómához (BBS) társuló számos csillókkal kapcsolatos fenotípus közül néhány,205 és az IFT komponensei működésének további tanulmányozása zebrahalakban fontosnak bizonyulhat a BBS-hez kapcsolódó szemészeti patológiák hátterében álló molekuláris okok jobb megértéséhez.

Míg az ebben a fejezetben eddig leírt mutánsokat genetikai szűrések során izolálták, amelyek elsősorban szövettani módszereket használtak a fotoreceptorok hibáinak kimutatására, addig másokat viselkedési szűrések során izoláltak.15,82,206,207 Az egyik ilyen szűrés kihasználta a zebrahalak azon képességét, hogy már 3 dpf (a megtermékenyítés utáni napokban) látásfüggő viselkedést mutatnak. Brockerhoff és munkatársai15 először az optokinetikus válaszvizsgálatot (OKR) használták mutagenizált embriókon a látási funkció hibáinak kimutatására. Egy második vizsgálatban elektroretinogram (ERG) felvételeket használtak annak megállapítására, hogy az izolált mutációk befolyásolják-e a külső retina működését. Ebből a szűrésből 18 olyan mutánst izoláltak, amelyekről megállapították, hogy csökkent látási funkcióval rendelkeznek. Az egyik, a no optokinetikus válasz a (noa) nem rendelkezett durva fotoreceptor-rendellenességekkel 5 dpf (a megtermékenyítés utáni napokban), de vaknak és letargikusnak bizonyult, és idő előtt elpusztult. A noa mutáció elemzése a sejtek energiatermelését szabályozó piruvát-dehidrogenáz (PDH) komplex egyik alegységének hiányát mutatta ki. A noa mutáns vonalat modellként használták a PDH-hiány (OMIM 245348) tanulmányozására, egy emberi rendellenességre, amely a zebrahal modellhez hasonlóan vakságot, neurológiai rendellenességeket és korai halált eredményez.16 Mivel az emberekben a PDH-hiány jelenlegi kezelése korlátozott sikerrel járt, Taylor és munkatársai a noa mutánsokat a ketogén étrend tesztelésére használták, amely korlátozott számú emberi betegnél némi sikert mutatott a PDH-hiány tüneteinek enyhítésében. Ennek a speciális diétának a beadása helyreállította a noa mutánsok normális viselkedését, kiemelve a PDH-hiányos terápiák tanulmányozásának lehetőségét a noa mutáns vonalon.

Egy másik mutáns, a no optokinetikus válasz f (nof) mutációját találták a kúp transzducin (Tcα) α alegységében, a fototranszdukcióhoz szükséges G-proteinben. Az akromatopszia (OMIM 139340) néven ismert állapotban szenvedő humán betegeknél a Tcα mutációi állnak a színlátás elvesztésének hátterében. A nof mutánsokban a kúpok fejlődése normálisan zajlik, azonban akár 1000× kevésbé érzékenyek a fényre, amint azt az egyes fotoreceptorokon végzett felvételek kimutatták. A kúpok fényválaszainak kiterjedt elemzése kimutatta, hogy a maradék fototranszdukció fényfüggő, de transzducin független. A Ca+ 2 beáramlás, amely fontos a fotoreceptorok fényadaptációjához, és amelyről korábban azt gondolták, hogy a transzducin szabályozza, továbbra is kimutatható volt a nof mutánsokban. Ez a vizsgálat tehát kimutatta, hogy a Ca+ 2 beáramlás egy része a kúp-fotoreceptorokban transzducinfüggetlen lehet.

Egy külön szűrővizsgálatban olyan domináns mutációkat végeztek, amelyek felnőtt zebrahalakban fotoreceptor-degenerációt okoznak, hogy olyan genetikai mutánsokat izoláljanak, amelyek később felhasználhatók az emberi örökletes éjszakai vakság, például az RP tanulmányozására.37,38 Az RP esetében számos genetikai lokusz áll a rendellenességek e csoportjának hátterében. A domináns RP eseteinek azonban csak körülbelül a felét hozták összefüggésbe konkrét mutációkkal a szűrés elvégzésekor.38 Li és munkatársai ezért mutagenizált felnőtt zebrahalakat szűrtek, felhasználva a halak által mutatott ismert menekülési választ. A fenyegető jelre adott ilyen válasz hiányát a látás elvesztéseként értelmezték, amit később ERG-felvételek segítségével megerősítettek. Összesen hét heterozigóta mutánst izoláltak (éjszakai vakság a, b, c, d, e és f), amelyek közül hat mutatott fotoreceptor-degenerációt.38,39,208,209 A hatból négyet homozigótaként embrionális letálisnak találtak, ami arra utal, hogy a fotoreceptor-fenotípusok hátterében álló mutáns géneknek más kritikus funkciói is vannak az embrionális fejlődés során. Ez az eredmény rávilágít az ilyen szűrések fontosságára az olyan domináns mutációk azonosítása szempontjából, amelyek a korai embrionális letalitás miatt a hagyományos szűrések során esetleg nem lennének könnyen izolálhatók.