Με τον ανθρώπινο αμφιβληστροειδή που αναπτύσσεται σε ένα τρυβλίο Petri, οι ερευνητές ανακάλυψαν πώς μια παραφυάδα βιταμίνης Α δημιουργεί τα εξειδικευμένα κύτταρα που επιτρέπουν στους ανθρώπους να βλέπουν εκατομμύρια χρώματα, μια ικανότητα που οι σκύλοι, οι γάτες και άλλα θηλαστικά δεν διαθέτουν. «Αυτά τα οργανοειδή του αμφιβληστροειδούς μας επέτρεψαν για πρώτη φορά να μελετήσουμε αυτό το πολύ ειδικό για τον άνθρωπο χαρακτηριστικό», δήλωσε ο συγγραφέας Robert Johnston, αναπληρωτής καθηγητής βιολογίας. «Είναι ένα τεράστιο ερώτημα για το τι μας κάνει ανθρώπους, τι μας κάνει διαφορετικούς».
Τα ευρήματα, που δημοσιεύθηκαν στο PLOS Biology, αυξάνουν την κατανόηση της αχρωματοψίας, της απώλειας όρασης που σχετίζεται με την ηλικία και άλλων ασθενειών που συνδέονται με κύτταρα φωτοϋποδοχέων. Επιδεικνύουν επίσης πώς τα γονίδια δίνουν οδηγίες στον ανθρώπινο αμφιβληστροειδή να παράγει συγκεκριμένα κύτταρα που ανιχνεύουν το χρώμα, μια διαδικασία που οι επιστήμονες πίστευαν ότι ελέγχεται από θυρεοειδικές ορμόνες. Τροποποιώντας τις κυτταρικές ιδιότητες των οργανοειδών, η ερευνητική ομάδα διαπίστωσε ότι ένα μόριο που ονομάζεται ρετινοϊκό οξύ καθορίζει εάν ένας κώνος θα ειδικεύεται στην αίσθηση του κόκκινου ή του πράσινου φωτός. Μόνο άνθρωποι με φυσιολογική όραση και στενά συνδεδεμένα πρωτεύοντα αναπτύσσουν τον κόκκινο αισθητήρα.
Οι επιστήμονες για δεκαετίες πίστευαν ότι οι κόκκινοι κώνοι σχηματίζονται μέσω ενός μηχανισμού εκτίναξης νομισμάτων όπου τα κύτταρα δεσμεύονται τυχαία να ανιχνεύουν πράσινα ή κόκκινα μήκη κύματος – και η έρευνα από την ομάδα του Johnston άφησε να εννοηθεί πρόσφατα ότι η διαδικασία θα μπορούσε να ελεγχθεί από τα επίπεδα θυρεοειδικών ορμονών. Αντίθετα, η νέα έρευνα προτείνει ότι οι κόκκινοι κώνοι υλοποιούνται μέσω μιας συγκεκριμένης ακολουθίας γεγονότων που ενορχηστρώνονται από το ρετινοϊκό οξύ μέσα στο μάτι. Η ομάδα διαπίστωσε ότι τα υψηλά επίπεδα ρετινοϊκού οξέος στην πρώιμη ανάπτυξη των οργανοειδών συσχετίστηκαν με υψηλότερες αναλογίες πράσινων κώνων. Ομοίως, τα χαμηλά επίπεδα του οξέος άλλαξαν τις γενετικές οδηγίες του αμφιβληστροειδούς και δημιούργησαν κόκκινους κώνους αργότερα στην ανάπτυξη.
«Μπορεί να υπάρχει ακόμα κάποια τυχαιότητα, αλλά το μεγάλο μας εύρημα είναι ότι παράγετε ρετινοϊκό οξύ νωρίς στην ανάπτυξη», είπε ο Johnston. “Αυτός ο χρόνος είναι πραγματικά σημαντικός για την εκμάθηση και την κατανόηση του τρόπου κατασκευής αυτών των κωνικών κυττάρων.” Τα πράσινα και τα ερυθρά κωνικά κύτταρα είναι εντυπωσιακά παρόμοια εκτός από μια πρωτεΐνη που ονομάζεται οψίνη, η οποία ανιχνεύει το φως και λέει στον εγκέφαλο ποια χρώματα βλέπουν οι άνθρωποι. Διαφορετικές οψίνες καθορίζουν εάν ένας κώνος θα γίνει πράσινος ή κόκκινος αισθητήρας, αν και τα γονίδια κάθε αισθητήρα παραμένουν 96% ίδια. Με μια επαναστατική τεχνική που εντόπισε αυτές τις λεπτές γενετικές διαφορές στα οργανοειδή, η ομάδα παρακολούθησε αλλαγές στην αναλογία των κώνων σε διάστημα 200 ημερών.
«Επειδή μπορούμε να ελέγξουμε στα οργανοειδή τον πληθυσμό των πράσινων και ερυθρών αιμοσφαιρίων, μπορούμε να ωθήσουμε την πισίνα να γίνει πιο πράσινη ή πιο κόκκινη», είπε η συγγραφέας Sarah Hadyniak, η οποία διεξήγαγε την έρευνα ως διδακτορική φοιτήτρια στο εργαστήριο του Johnston και τώρα στο Πανεπιστήμιο Duke. «Αυτό έχει επιπτώσεις στο να καταλάβουμε πώς ακριβώς το ρετινοϊκό οξύ δρα στα γονίδια». Οι ερευνητές χαρτογράφησαν επίσης τις ευρέως ποικίλες αναλογίες αυτών των κυττάρων στον αμφιβληστροειδή 700 ενηλίκων. Βλέποντας πώς οι αναλογίες πράσινου και κόκκινου κώνου άλλαξαν στους ανθρώπους ήταν ένα από τα πιο εκπληκτικά ευρήματα της νέας έρευνας, είπε ο Hadyniak.
Οι επιστήμονες εξακολουθούν να μην κατανοούν πλήρως πώς η αναλογία πράσινων και κόκκινων κώνων μπορεί να ποικίλλει τόσο πολύ χωρίς να επηρεάζει την όραση κάποιου. Εάν αυτοί οι τύποι κυττάρων καθόριζαν το μήκος ενός ανθρώπινου βραχίονα, οι διαφορετικές αναλογίες θα παρήγαγαν «εκπληκτικά διαφορετικά» μήκη βραχιόνων, είπε ο Johnston. Για να κατανοήσουν ασθένειες όπως η εκφύλιση της ωχράς κηλίδας, η οποία προκαλεί απώλεια κυττάρων που ανιχνεύουν το φως κοντά στο κέντρο του αμφιβληστροειδούς, οι ερευνητές εργάζονται με άλλα εργαστήρια του Johns Hopkins. Ο στόχος είναι να εμβαθύνουν την κατανόησή τους για το πώς οι κώνοι και άλλα κύτταρα συνδέονται με το νευρικό σύστημα.