Forscher haben in einer Laborumgebung menschliche Netzhäute gezüchtet, um den Prozess aufzudecken, durch den ein Derivat von Vitamin A einzigartige Zellen erzeugt, die es dem Menschen ermöglichen, ein breites Spektrum an Farben wahrzunehmen. Hunde, Katzen und andere Säugetiere verfügen nicht über diese Sehfähigkeit.

„Diese Netzhautorganismen ermöglichen es uns zum ersten Mal, dieses sehr menschenspezifische Merkmal zu untersuchen“, sagte Autor Robert Johnston, außerordentlicher Professor für Biologie. „Es ist eine wichtige Frage, was uns menschlich macht und was uns einzigartig macht.“

Die in „PLOS Biology“ veröffentlichten Forschungsergebnisse vertiefen das Verständnis der Menschen über Farbenblindheit, altersbedingten Sehverlust und andere Krankheiten, die mit Photorezeptorzellen zusammenhängen. Sie zeigen auch, wie Gene die menschliche Netzhaut anweisen, bestimmte Zellen für das Farbsehen zu bilden, ein Prozess, von dem Wissenschaftler glauben, dass er durch Schilddrüsenhormone gesteuert wird.

Durch die Anpassung der Zelleigenschaften des Organismus fand das Team heraus, dass ein Molekül namens Retinsäure bestimmt, ob die Zapfen speziell rotes oder grünes Licht wahrnehmen. Nur Menschen und nahe verwandte Primaten mit normalem Sehvermögen entwickeln rote Sensoren.

Seit Jahrzehnten gehen Wissenschaftler davon aus, dass sich rote Zapfen durch einen Münzwurf-ähnlichen Mechanismus bilden, bei dem Zellen chaotisch arbeiten, um grüne oder rote Wellenlängen zu erfassen – ein Prozess, der laut neueren Forschungen von Johnstons Team möglicherweise durch den Schilddrüsenhormonspiegel gesteuert wird. Neue Forschungsergebnisse zeigen jedoch, dass rote Zapfen durch eine bestimmte Kette von Ereignissen gebildet werden, die durch Retinsäure im Auge gesteuert werden.

Kennzeichnung von Netzhautorganismen, blaue Zapfen in Cyan, grün/rote Zapfen in Grün. Stäbchenzellen, die dem Auge das Sehen bei schlechten Lichtverhältnissen oder in der Dunkelheit erleichtern, werden in Magenta hervorgehoben. Quelle: Sarah Hadyniak/Johns Hopkins University

Das Team fand heraus, dass während der frühen Entwicklung eines Organismus ein höherer Retinsäurespiegel mit einem höheren Anteil grüner Zapfen verbunden war. Ebenso verändern niedrige Konzentrationen von Retinsäure die genetischen Anweisungen der Netzhaut, später in der Entwicklung rote Zapfen zu produzieren.

„Es mag immer noch etwas Zufall dabei sein, aber unsere große Entdeckung ist, dass Retinsäure sehr früh in der Entwicklung produziert wird. Dieser Zeitpunkt ist wirklich wichtig, um zu lernen und zu verstehen, wie diese Zapfen produziert werden“, sagte Johnston.

Grüne Zapfen sind roten Zapfen sehr ähnlich, mit Ausnahme eines Proteins namens Opsin, das Licht erkennt und dem Gehirn mitteilt, welche Farbe eine Person sieht. Unterschiedliche Opsine bestimmen, ob ein Zapfen zu einem grünen oder roten Sensor wird, obwohl die Gene für jeden Sensor zu 96 Prozent identisch sind. Mit einer bahnbrechenden Technik entdeckte das Team diese subtilen genetischen Unterschiede in den Organismen und verfolgte über 200 Tage Veränderungen in den Zapfenproportionen.

„Da wir die Anzahl der grünen und roten Blutkörperchen in einem Organismus kontrollieren können, können wir den Zellpool grüner oder röter machen, was wichtige Auswirkungen auf das Verständnis hat, wie Retinsäure auf Gene wirkt“, sagte Autorin Sarah Hadyniak, Doktorandin in Johnstons Labor und jetzt an der Duke University.

Die Forscher kartierten außerdem unterschiedliche Anteile dieser Zellen in der Netzhaut von 700 Erwachsenen. Hardiniak sagte, zu sehen, wie sich das Verhältnis von grünen zu roten Zapfen beim Menschen verändert, sei eines der überraschendsten Ergebnisse der neuen Studie.

Abschnitte der menschlichen Netzhaut. Die gestrichelte blaue Linie stellt einen einzelnen grünen Kegel dar und die rosa Linie stellt einen einzelnen roten Kegel dar. Bildnachweis: Sarah Hadyniak/Johns Hopkins University

Wissenschaftler verstehen immer noch nicht ganz, warum das Verhältnis von grünen zu roten Zapfen so stark variieren kann, ohne die Sehkraft eines Menschen zu beeinträchtigen. Wenn diese Zellen die Länge eines menschlichen Arms bestimmen, würden unterschiedliche Verhältnisse zu „erstaunlichen Unterschieden“ in der Armlänge führen, sagte Johnston.

Um Krankheiten wie die Makuladegeneration zu verstehen, die zum Verlust von Photorezeptorzellen nahe der Mitte der Netzhaut führt, arbeiten Forscher mit anderen Johns Hopkins-Laboren zusammen. Ziel ist es, ihr Verständnis darüber zu vertiefen, wie Zapfen und andere Zellen mit dem Nervensystem kommunizieren.

„Die Hoffnung für die Zukunft besteht darin, den Menschen bei der Lösung dieser Sehprobleme zu helfen“, sagte Johnston. „Es wird eine Weile dauern, bis wir dorthin gelangen, aber allein zu wissen, dass wir diese verschiedenen Zelltypen herstellen können, ist sehr, sehr vielversprechend.“

Zusammengestellte Quelle: ScitechDaily