Szemünk ősi evolúciós örökség

Illusztráció

Szemünk evolúciós története régre nyúlik vissza. Látószervünk lelke, a retina igen komplex felépítésű, ám a jelek szerint már az összes mai emlős őse is hasonlóan bonyolult szemmel rendelkezett 200 millió évvel ezelőtt.

Kellett hozzá egy kis gyomor, mire Karthik Shekhar és munkatársai begyűjtötték a friss marha- és disznószemeket a bostoni hentesektől, de megérte. Összesen tizenhét faj, köztük az ember szemeinek tanulmányozásával Shekhar csoportjának sikerült felvázolnia a gerinces retina evolúciós történetét, ami pedig segíthet az emberi szembetegségek jobb állatmodelljeinek kialakításában.

A retina egy sok különböző sejttípusból álló miniatűr számítógép, amely előzetesen feldolgozza a látási információt, mielőtt azt az agy többi részébe továbbítaná. Shekhar csoportja a korábbi kutatások során megállapította, hogy pusztán az egér retinájában is 130-féle sejttípus található, s ezek fajközi összehasonlító elemzésével most megmutatták, hogy legtöbbjük messzire visszanyúló evolúciós történettel bír. A sejttípusok közötti különbségek a molekuláris szinten jól megragadhatók, és a sejtek jellemzéséből kikövetkeztethető a vizuális belső világunk kialakításában játszott szerepük.

A retina felépítésének figyelemre méltó megőrzöttsége a legkülönbözőbb emlősfajok között arra utal, hogy azok a nagyjából 200 millió éve élt állatok, amelyekből minden mai emlős leszármazott, már a miénkhez hasonló komplexitású retinával bírhattak. Sőt, egyes jelek világosan arra mutatnak, hogy a retina sejttípusainak némelyike még ennél is hosszabb múltra tekint vissza:

már az összes mai gerinces, így nemcsak az emlősök, de a hüllők, a madarak és a csontoshalak 400 millió éve élt közös ősében is jelen lehettek.

A részletek a Nature speciális számában jelentek meg, amely összesen tíz cikket szentel a BRAIN Initiative Cell Census Network (kb.: „AGY Kezdeményezés – Sejt-lajstrombavételi Kutatóhálózat") nevű globális tudományos együttműködés eredményeinek. A BRAIN Network célja a felnőtt egéragy teljes sejttípusatlaszának elkészítése volt, s ennek keretében készült el a retina sejttérképe is. A cikk első szerzője Joshua Hahn, aki kémiai és biomolekuláris mérnöki doktorandusz-hallgató a Kaliforniai Egyetem Berkeley kampuszán Shekhar csoportjában. A közlemény elkészítésében a Shekhar-laborral egyenlő részt vállalt Joshua Sanes csoportja a Harvard Egyetemről.

Az eredmények meglepték a kutatókat, mert a gerincesek látása – a felszínen legalábbis – fajról fajra igen eltérő. A halaknak a víz alatt kell látniuk, míg az egereknek és a macskáknak az éjjeli sötétségben, a majmok és az ember pedig rendkívül éles nappali látást fejlesztettek ki a vadászathoz és táplálékkereséshez. Egyes állatok élénk színekben látnak, mások megelégszenek a szürke árnyalataival.

Illusztráció Forrás: Science Photo Library

Ennek ellenére az a helyzet – vonják le a konklúziót a kutatók –, hogy a retina sok sejttípusa közös a legváltozatosabb gerincescsoportokban, ami arra utal, hogy azok a génexpressziós programok, amelyek ezeket a sejtféleségeket meghatározzák, már az összes állkapcsos gerinces közös ősében jelen voltak.

A csoport egyebek között azt találta, hogy az ún. törpe ganglionsejtek, amelyek az emberi retinában az apró részletek felismeréséért felelősek, és amelyeket korábban a főemlősökre nézve egyedinek gondoltunk, nem korlátozódnak a mi közvetlen rokonságunkra. A nagyléptékű génexpressziós adathalmaz statisztikai elemzésével a kutatók felfedezték a törpe ganglionsejtek evolúciós megfelelőit más emlőscsoportokban is, még ha az ő retinájukban ezek a sejtek jóval kisebb arányban vannak is jelen, mint a miénkben.

Azt látjuk, hogy valami, amit a főemlősök kizárólagos sajátjának tartottunk, nyilvánvalóan nem az. Sokkal inkább egy feltehetőleg nagyon is ősi sejttípus újragondolt változata

– fejtegeti Shekhar, aki a Berkeley kémiai és biomolekuláris mérnök tanára. – Az ősi gerincesek retinája már valószínűleg az akkori formájában is rendkívül kifinomult szerkezet volt, de ahogy leszármaztak belőlük a mai fajok, az alkatrészlista időközben bővült, és a meglévő alkatrészek is újszerű módokon kerültek felhasználásra."

Puszta véletlenségből Shekhar egyik munkatársa a Berkeley-n, Teresa Puthussery az Optometriai Tanszékről épp a múlt hónapban közölt egy cikket a Nature-ben arról, hogy egy másik sejttípus, amiről azt gondoltuk, hogy az emberi szemből már elveszett – egy olyan retinális ganglionsejt, amely a tekintetstabilizálásban játszik szerepet – mégis megvan bennünk. Puthussery és kollégái egy Shekhar és mások által jegyzett korábbi közleményből vették azokat a molekuláris jegyeket, amelyek segítették ennek a sejttípusnak az azonosítását a főemlős retina-szövetmintákban.

Ezek a felfedezések bizonyos értelemben várhatóak voltak, hiszen valamennyi gerinces szeme hasonló tervrajz alapján épül fel: a fényt fotoreceptorok érzékelik, amelyek a jelet először az ún. bipoláris, horizontális és amakrin sejteknek továbbítják, majd ezek kommunikálnak azokkal a retinális ganglionsejtekkel, amelyek végül az agyba, a látókéreg területére továbbítják a látási információt. Shekhar és csapata annyit tett, hogy modern technológiával, elsősorban egysejt-genomikával vizsgálták a látórendszer idegsejtjeinek – egyszerre több ezernek, vagy akár több tízezernek – a molekuláris összetételét a retinától a látókéregig.

Ami titok volt mindeddig, az annak a temérdek fajta sejttípusnak az eredete, amelyek a gerincesek retináját benépesítik. A retinális sejttípusok száma tág határok közt ingadozik a különböző gerincesfajokban: Shekhar és munkatársai korábbi tanulmányai szerint nekünk kb. 70-féle van, míg az egereknek például 130. A mostani kutatás alapján az egyik felmerülő lehetőség az – ismerteti Shekhar –, hogy a főemlős agy komplexitásának növekedésével elődeink egyre kevésbé támaszkodtak a szemben magában lezajló jelfeldolgozásra – ami elsősorban a reflexes cselekvések, például egy ragadozóra adott menekülési válasz szervezésében játszik kulcsszerepet –, ehelyett a látási információ elemzésének feladata fokozatosan áthelyeződött az agykéregbe. Ez magyarázhatja a molekulárisan megkülönböztethető sejttípusok számának csökkenését az emberi szemben például az egéréhez képest.

„Tanulmányunk azt sugallja, hogy az emberi retina evolúciója során a komplikált vizuális számításokat végző retinális sejttípusok teret vesztettek azok rovására, amelyek egyszerűen csak továbbítják a látható világ viszonylag feldolgozatlan képeit az agyba, ahol aztán még sokkal komplikáltabb dolgokat művelhetünk ezekkel a képekkel – vélekedik Shekhar. –

A gyorsaságot feláldoztuk a kifinomultság javára."

A kutatócsoport által a legkülönbözőbb gerincesfajok retinájáról készített új, részletes sejttípus-térképek az emberi szembetegségek kutatását is elősegíthetik. Shekhar csoportja a zöldhályog vagy glaukóma molekuláris jellemzőit is kutatja, amely az egész világon a visszafordíthatatlan látásromlás vezető oka, és az USA-ban a makuladegeneráció után a vakság második leggyakoribb okozója. A glaukóma kedvenc állatmodellje az egér, holott az egerek retinájában csak mutatóba akadnak a mi törpe ganglionsejtjeink megfelelői. Az egerek ganglionsejtjeinek csak 2-4%-át teszi ki ez a típus, míg az emberi ganglionsejtek 90%-a törpesejt.

Munkánknak az ad orvosi relevanciát, hogy az emberi zöldhályogban feltehetőleg leginkább a törpe ganglionsejtekre kell odafigyelnünk

– hangsúlyozta Shekhar. – Ha tudjuk, mi felel meg ennek a sejttípusnak az egér retinájában, remélhetőleg jobban tudjuk tervezni és értelmezni a zöldhályog egér-modelljeit."