Mit nur drei Photopigmenten unterscheidet das Auge hunderte Farbtöne. Die sogenannten Farb-Opsine sitzen in den Zapfenzellen der Netzhaut. Forschenden der Charité – Universitätsmedizin Berlin und der Nanchang University ist es erstmals gelungen, die molekulare Struktur aller drei Farb-Opsine im aktiven Zustand darzustellen. Ihre Studie wurde im Fachmagazin Science veröffentlicht.
Rund sechs Millionen Zapfen im zentralen Bereich der Netzhaut sind neben dem Farbsehen auch für das räumliche und scharfe Sehen bei Tageslicht verantwortlich. Bei Dämmerlicht oder Dunkelheit übernehmen die weiter außen liegenden Stäbchen, die aber nur Schwarz-Weiß-Sehen ermöglichen. Ihr Photopigment ist Rhodopsin, dessen Struktur schon seit 25 Jahren bekannt ist. Die Struktur der Farb-Opsine dagegen war bis vor kurzem ein Rätsel.
Dies lag unter anderem daran, dass die Zapfen und ihre Photopigmente viel seltener als das Rhodopsin sind und schwierig zu isolieren. „Man musste erst lernen, genügend Farb-Opsine in Zellkulturen herzustellen, in den aktiven Zustand zu bringen, anschließend zu isolieren und dann mit dem Elektronenmikroskop zu untersuchen“, erklärt Dr. Patrick Scheerer, Leiter der AG Strukturbiologie der zellulären Signalübertragung am Institut für Medizinische Physik und Biophysik der Charité und einer der beiden Autoren der aktuellen Studie.
Alle drei Farb-Opsine enthalten, ebenso wie das Rhodopsin der Stäbchen, als lichtempfindlichen Bestandteil das Vitamin-A-Derivat Retinal. Es ist jeweils fest an das Opsin-Protein gebunden. Wird es durch Licht getroffen, „klappt“ es gewissermaßen an einer bestimmten Stelle um: Das eher gewinkelte 11-cis-Retinal wird zum gestreckten all-trans-Retinal, verändert dadurch auch die Form des Opsins selbst und versetzt es in den aktiven Zustand. Das aktivierte Opsin löst eine biochemische Signalkette aus, die vom Auge zum Gehirn weitergeleitet wird und dort zur Farbwahrnehmung führt.
Enthüllt durch Kryo-Elektronenmikroskopie
Das Forschungsprojekt isolierte die drei Farb-Opsine aus Zellkulturen und kühlte sie im aktiven Zustand auf ultratiefe Temperaturen herunter, um ihre Strukturen sichtbar zu machen. Mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie konnten auf diese Weise hochaufgelöste zweidimensionale Aufnahmen im Ångström-Bereich (unter einem Nanometer) erstellt und einzelne Aminosäuren erkannt werden.
Die detaillierte dreidimensionale Struktur der Opsine wurde dann aus diesen Aufnahmen rekonstruiert. „Dabei hat sich gezeigt, dass das Opsin, das auf blaues Licht – also kurze Lichtwellen – reagiert, eher dem Rhodopsin der Stäbchen ähnelt“, berichtet Patrick Scheerer. „Die Opsine für grünes beziehungsweise rotes Licht unterscheiden sich davon deutlich. Insbesondere die Aminosäure-Umgebung des jeweiligen Opsins um das Retinal herum variiert. Das erklärt, warum sie unterschiedlich empfindlich auf die Lichtwellenlängen reagieren.“ Farbiges Licht regt die verschiedenen Zapfen unterschiedlich stark an und ruft in der Kombination und der komplexen Weiterverarbeitung das Farbempfinden im Gehirn hervor.
Alle humanen Opsine gehören zur Superfamilie der G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCR), welche die Wirkung zahlreicher Hormone und Neurotransmitter vermitteln und an einer Vielzahl wichtiger Vorgänge beteiligt sind, darunter Entzündungsreaktionen, Appetitregulation und Wachstum. Zudem übertragen sie Sinneswahrnehmungen wie Geruchs-, Geschmacks- und Lichtreize. Die über 800 verschiedenen GPCR werden bereits für medizinischen Anwendungen als zur Entwicklung neuer Medikamente genutzt. Da es zahlreiche Mutationen in den Opsin-Genen gibt, die mit verschiedenen Augenkrankheiten oder Sehstörungen einhergehen, liegen hierauf Therapiehoffnungen für die Zukunft. Als nächstes plant die AG die Strukturaufklärung des Melanopsins, das in retinalen Ganglienzellen exprimiert wird und eine zentrale Rolle in der Regulation des zirkadianen Rhythmus spielt.
Originalpublikation:
*Peng Q et al. Cryogenic electron microscopy structures of human cone visual pigments. Science 2026 Jun 25. doi: 10.1126/science.adz8141
Die Studie entstand unter Leitung von Dr. Patrick Scheerer (Charité) und Prof. Jin Zhang (Nanchang University, China). Beteiligt waren außerdem die Universitäten von Shenzen und Ganzhou, National University Canberra (Australien) sowie die Technischen Universität Dortmund und die Universitätsallianz Ruhr.
Quelle: Charité
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