Mysz zobaczyła w technikolorze

Science donosi, że stworzono mysz, która widzi jak człowiek. Chodzi o widzenie kolorów. U zwierząt występują dwa rodzaje komórek światłoczułych – wrażliwe na natężenie światła pręciki i odpowiedzialne za widzenie barw czopki. Mieszczą one w sobie światłoczułe białka – opsyny (każda komórka tylko jeden rodzaj białka). U zwierząt odpowiedzialne za widzenie kolorów opsyny należą do czterech rodzin zwanych SWS1, SWS2, RH2 (MWS) i LWS, a opsyny pręcikowe to rodopsyny z rodziny RH1. W toku ewolucji ssaki utraciły dwie rodziny opsyn – SWS2 i RH2.

W siatkówkce większości ssaków występują tylko dwa rodzaje opsyn, po jednej z rodziny SWS1 i LWS. Jednak u małp wygląda to trochę inaczej – część z nich cieszy się większym spektrum kolorów, ponieważ posiadają trzy rodzaje opsyn czopkowych (jedną z rodziny SWS1, i dwie z rodziny LWS). Rysunek przedstawia na przykładzie tego, jak widzą psy (dwa rodzaje opsyn czopkowych) i ludzie (trzy rodzaje), co zyskaliśmy dzięki dodatkowej opsynie LWS.

Pora sprawdzić, jak to wygląda od strony genów. Występujące u większości ssaków opsyny reagujące na kolory to reagujący na krótsze fale (niebieskie światło) wariant S, kodowany przez znajdujący się na jednym z autosomów gen z rodziny SWS1, oraz reagujący na długie lub średnie fale wariant L lub M, kodowany przez znajdujący się na chromosomie X gen z rodziny LWS. U małp jest inaczej. Małpy wąskonose (w tym i człekokształtne, czyli także ludzie) mają trzy geny kodujące takie fotoreceptory. S reaguje głównie na światło niebieskie (ok. 420nm), M na światło zielone (ok. 530nm), a L na światło czerwone (ok. 700nm). Dwa położone na chromosomie X geny kodujące warianty L i M powstały przez duplikację genu – „przodka”, która zaszła około 23 milionów lat temu, a kodowane przez nie białka różnią się zaledwie 3 aminokwasami.

Natomiast małpy szerokonose mają tylko dwa geny (wyjątkiem są wyjce, które zawsze mają trzy opsyny czopkowe, oraz ponocnice, które mają tylko jedną – drugą utraciły, gdyż nocny tryb życia nie powodował wystarczającej presji selekcyjnej na jej utrzymanie). Jednak samice małp szerokonosych mogą mieć trzy rodzaje fotoreceptorów w czopkach. Dzieje się tak dlatego, że u tych małp pojedynczy gen położony na chromosomie X może występować w różnych wariantach (allelach) kodujących białka reagujące na różną długość fali. Zatem w siatkówkach samic, które na każdym chromosomie X mają inny allel, występują trzy warianty białek równocześnie. Natomiast trzeci gen u wyjców pojawił się zaledwie 7-16 milionów lat temu i, podobnie jak u małp wąskonosych, powstał przez duplikację genu na chromosomie X. Co ciekawe, ewolucja trójbarwnego widzenia, zarówno u naczelnych, jak i u wyjców, wydaje się łączyć z utratą wielu receptorów węchowych (Gilad i in. 2004, pdf). Dodatkowe informacje o ewolucji opsyn można znaleźć w Terakita 2005 (pdf), a kolorowego widzenia u kręgowców – w Jacobs and Rowe 2004 (pdf).

Jednak oprócz białek potrzeba jeszcze mózgu, który jest w stanie przetwarzać otrzymane informacje. Autorzy pracy opublikowanej w Science zajęli się myszami, które normalnie mają tylko opsyny M i S – ta ostatnia jest wrażliwa na krótsze fale, niż jej ludzki odpowiednik, i dzięki temu myszy widzą ultrafiolet. Zresztą prawodpodobnie przodek wszystkich ssaków widział UV, tak samo, jak bezkręgowce. Naukowcy postanowili sprawdzić, czy samo dodanie myszy nowego receptora wystarczy, żeby była w stanie odróżniać sygnały z czopków M i L. Stworzyli zatem linię myszy, u których fragment mysiego wariantu M (wrażliwy na światło o długości fali ok. 510nm) na chromosomie X zastąpili fragmentem ludzkiego wariantu L (560nm). Krzyżując te myszy z dzikimi (czyli takimi bez mutacji) otrzymywali samce i homozygotyczne samice mające oprócz wariantu S jeszcze tylko L albo tylko M, oraz heterozygotyczne samice mające S, L i M – tak, jak to jest u małp szerokonosych. Okazało się, że heterozygotyczne samice, którym pokazywano trzy plansze, radziły sobie z określeniem, która ma inny kolor, czyli były w stanie odróżniać sygnały płynące z czopków M i L. Zatem mózg ssaków jest na tyle plastyczny, że od razu po pojawieniu się nowego receptora może zacząć z niego korzystać. Oczywiście później selekcja może spowodować udoskonalenie rozróżniania kolorów.