Колбочкам необходимо отличать «своих» от «чужих», чтобы сформировать правильный паттерн на сетчатке

Цветное зрение у позвоночных обеспечивается за счет фоторецепторов на сетчатке — колбочек. Они образуют повторяющийся паттерн на сетчатке глаза, в котором между рецепторами одного типа сохраняется определенное расстояние. Например, у рыбок данио-рерио имеется четыре типа колбочек, восприимчивых к красному, синему, зеленому и УФ излучению. Эти колбочки формируют решетчатые структуры, в которых пары красных и зеленых фоторецепторов чередуются с одиночными клетками, чувствительными к синему или УФ излучению. Однако молекулярно-генетический механизм формирования паттерна остается невыясненным.

Известно, что белки суперсемейства DSCAM отвечают за распознавание клеток — у дрозофил и мышей они позволяют аксонам расти в нужном направлении и не формировать контактов с телом собственного нейрона. Ученые из Окинавского института науки и технологии решили проверить, влияет ли представитель этого суперсемейства — белок Dscamb — на развитие узора сетчатки у данио-рерио. Для этого при помощи Crispr-Cas9 они вывели линию рыбок с нокаутом Dscamb. У взрослых гомозиготных мутантов паттерн нарушался и была достоверно снижена регулярность расположения всех типов колбочек по сравнению с гетерозиготами. У мальков-гомозигот нарушалось только распределение красных колбочек. При этом количество и плотность фоторецепторов менялась между группами незначительно. Из этого ученые сделали вывод, что Dscamb необходим для корректного позиционирования колбочек на сетчатке.

При помощи анализа экспрессии и гибридизации in situ ученые показали, что Dscamb локализуется в апикальном регионе красных колбочек, в похожих на филоподии выростах клетки — нейритах. Эти структуры способны расти в сторону соседних клеток, «ощупывая» их. При этом у гетерозиготных рыб филоподия быстро втягивалась, если касалась другой красной колбочки, а у нокаутных гомозигот она продолжала рост. То есть в отсутствие Dscamb клетки теряют способность отличать собственную поверхность от чужой. Дополнительные эксперименты показали, что время нахождения филоподии на другой клетке значительно удлиняется в случае гетеротипического контакта (когда контактируют клетки разных типов). Для распознавания клетки того же типа (гомотипического распознавания) необходимо наличие Dscamb как на филоподии, так и на мембране соседней клетки.

Ряд экспериментов показал, что у мутантов по гену dscamb филоподии часто тянулись к соседним красным колбочкам, что приводило к их скученности. При этом у рыб дикого типа клетки после гомотипического контакта постепенно расходились.

Компьютерное моделирование позволило оценить влияние адгезии между кончиками филоподий — оно показало, что умеренная степень связывания способствует наиболее равномерному распределению клеток. Таким образом, белок Dscamb регулирует этот процесс, оптимизируя межклеточное взаимодействие и способствуя формированию мозаичного узора.

В норме красные, синие и другие типы колбочек формируют пентамерные структуры, которые затем организуются в регулярную решетку. У мутантов dscamb красные колбочки скапливались, вытесняя синие и нарушая этот процесс. Клетки Мюллера, которые механически регулируют расположение колбочек через адгезионные контакты с ними, в норме формируют связи через N-кадгерин, но у мутантов эти связи не формировались, что мешало созданию правильного паттерна. Это значит, что Dscamb также способствует механической стабилизации их расположения через взаимодействие с клетками Мюллера.

Интересно, что синие колбочки тоже способны к гомотипическому распознаванию соседей через нейриты, но для регуляции этого процесса не требуется Dscamb.

Открытие роли Dscamb в формировании мозаичного узора колбочек у данио-рерио объясняет молекулярные механизмы, обеспечивающие точное расположение фоторецепторов, которое необходимо зрения. Эти данные могут способствовать изучению схожих процессов в заболеваниях сетчатки человека, а также развитию новых методов диагностики, лечения и восстановления зрения.

«Третий глаз» рыб использует аррестины Sagb и Arr3a для восприятия цвета