Die Rolle von Opsinen in Rezeptoren ausserhalb des Kopfes

Viele Tiere sind in der Lage, auf Licht zu reagieren. Diese Fähigkeit beruht auf bestimmten lichtsensitiven Proteinen, von denen die meisten zur Familie der Opsine gehören und in den Membranen bestimmter Lichtsinneszellen verankert sind. Opsine haben ihren Namen vom griechischen Wort für Ansicht (psis). Allerdings häufen sich die Hinweise darauf, dass Opsine nicht nur im Sehen eine Rolle spielen, sondern weitere wichtige Funktionen haben, die mit dem Sehsinn nicht direkt zu tun haben, aber möglicherweise sogar älter sind. Dieses Projekt untersucht diese anderen Funktionen von Opsinen gezielt in einem Meeresringelwurm. In einer früheren Arbeit konnten die Antragsteller bereits feststellen, dass das betreffenden Opsin-Gen nicht nur in den Lichtsinneszellen der Augen des Tieres vorkommt, sondern auch in jedem der Segmente des Wurmes, wo sich in den Beinchen der Tiere kleine Sinneszellen befinden. Interessanterweise deuten Position und molekularer Fingerabdruck dieser Zellen darauf hin, dass sie eine Funktion in der Wahrnehmung von mechanischen Reizen (Berührung, Druck) haben könnten. Durch verschiedene, gezielte Experimente untersucht diese Arbeit, inwieweit Opsine in diesen Zellen der Lichtwahrnehmung dienen, ob sie eher in mechanische Reizwahrnehmung involviert sind, oder ob sie eine Funktion in beiden Arten der Reizwahrnehmung haben. Die entdeckten Zellen haben Ähnlichkeiten zu Rezeptoren in anderen Spezies, und entsprechen interessanterweise auch einer möglichen Urform von Reizsinneszellen, die aufgrund vergleichender Studien bereits vor Jahren postuliert wurde. Die Arbeit weist damit weit über die Meeresringelwürmer hinaus, und wird Einsichten in die Evolution von Sinneszellen, sowie die möglicherweise diversen Rolle von Opsinen erlauben.

Viele Tiere sind in der Lage, auf Licht zu reagieren. Diese Fähigkeit beruht auf bestimmten lichtsensitiven Proteinen, von denen die meisten zur Familie der Opsine gehören und in den Membranen bestimmter Lichtsinneszellen verankert sind. Opsine haben ihren Namen vom griechischen Wort für "Ansicht" (psis). Allerdings häufen sich die Hinweise darauf, dass Opsine nicht nur im Sehen eine Rolle spielen, sondern weitere wichtige Funktionen haben, die mit dem Sehsinn nicht direkt zu tun haben, aber möglicherweise sogar älter sind. Das Forschungsprojekt untersuchte diese anderen Funktionen von Opsinen gezielt in einem Meeresringelwurm. In einer früheren Arbeit konnten die Antragsteller bereits feststellen, dass ein bestimmtes opsin-Gen nicht nur in den Lichtsinneszellen der Augen des Tieres vorkommt, sondern auch in jedem der Segmente des Wurmes, wo sich in den Beinchen der Tiere kleine Sinneszellen befinden. Interessanterweise hatten Position und molekularer Fingerabdruck dieser Zellen darauf hingedeutet, dass sie eine Funktion in der Wahrnehmung von mechanischen Reizen (Berührung, Druck) haben könnten. Durch verschiedene Experimente untersuchte das Forscherteam, inwieweit Opsine in diesen Zellen der Lichtwahrnehmung dienen, ob sie eher in mechanische Reizwahrnehmung involviert sind, oder ob sie eine Funktion in beiden Arten der Reizwahrnehmung haben. Durch das gezielte Einbringen eines fluoreszenten Farbstoffes in die Zellen konnte das Team Fluoreszenz-aktivierte Zellsortierung (FACS) nutzen, um Sinneszellen aus den Augen und der Peripherie gezielt anzureichern und molekular zu charakterisieren. Tatsächlich wiesen die Sinneszellen der Peripherie eine doppelte Signatur auf (Licht- und mechanische Wahrnehmung). Das Team wiederholte danach die Experimente auch in Tieren, in denen es das Opsin-Gen durch einen genetischen "Knock-out" inaktiviert hatte, und führte auch Vergleiche zwischen Tieren aus verschiedenen Lichtbedingungen durch. Durch die zusätzliche Etablierung von Computer-unterstützten Verhaltens-Analysen konnte das Team schließlich herausfinden, dass die peripheren Zellen eine mechanosensorische Funktion hatten, die allerdings dank der Funktion des Opsins durch Licht modulierbar war. Diese Ergebnisse haben verschiedenste Auswirkungen. Sie zeichnen ein neues Bild davon, wie doppelt-sensorische Zellen möglicherweise einmal ursprünglich funktioniert haben, und bereichern damit unser evolutionäres Verständnis. Sie machen darüber hinaus aber auch konkrete Voraussagen, dass verwandte Zellen in Wirbeltieren - etwa im Seitenlinienorgan von Fischen oder Amphibien - einer ähnlichen Regulation unterliegen könnten. Zudem trug die Herstellung von "Knock-out"-Würmern, in denen das Opsin-Protein nicht mehr funktional war, und auch die Analyse der Licht-Empfindlichkeit dieses Proteins, zu einer weiteren Entdeckung bei, nämlich dass dieses Opsin-Protein auch an der Wahrnehmung des äußerst schwachen nächtlichen Mondlichts beteiligt ist, das für die innere Rhythmik der Würmer von Bedeutung ist. Insgesamt haben die Ergebnisse des Forschungsprojekts mithin dazu beigetragen, den Einfluss der Umwelt-Lichtbedingungen auf Sensorik und Physiologie von Meerestieren besser zu verstehen.