实验室培养的视网膜解释了为什么人们能看到狗看不到的颜色

通过在培养皿中培养人类视网膜，研究人员发现了维生素A的一个分支如何产生特殊细胞，使人们能够看到数百万种颜色，这是狗、猫和其他哺乳动物所不具备的能力。

“这些视网膜类器官使我们首次能够研究这一人类特有的特征，”生物学副教授罗伯特·约翰斯顿说。

“这是一个关于什么让我们成为人类，什么让我们与众不同的巨大问题。”

 

研究结果发表在《公共科学图书馆生物学》，增加对色盲、与年龄相关的视力丧失和其他与感光细胞有关的疾病的了解。

他们还展示了基因如何指导人类视网膜制造特定的颜色感知细胞，科学家认为这一过程是由甲状腺激素控制的。

通过调整类器官的细胞特性，研究小组发现一种叫做视黄酸的分子决定了视锥细胞是专门感知红光还是绿光。

只有视力正常的人类和亲缘关系较近的灵长类动物才会发展红色传感器。

几十年来，科学家们一直认为红色视锥细胞是通过掷硬币机制形成的，在这种机制下，细胞随机地感知绿色或红色波长。约翰斯顿团队的研究最近暗示，这一过程可能受甲状腺激素水平的控制。

相反，新的研究表明，红色视锥细胞是通过眼睛内视黄酸精心策划的一系列特定事件实现的。

研究小组发现，类器官早期发育中高水平的视黄酸与较高的绿色视锥细胞比例相关。

同样，低水平的酸性物质改变了视网膜的遗传指令，并在发育后期生成红色视锥细胞。

约翰斯顿说:“这可能仍然有一些随机性，但我们的重大发现是在发育早期就可以制造视黄酸。”

“这个时间对于学习和理解这些视锥细胞是如何形成的非常重要。”

绿色和红色视锥细胞非常相似，除了一种叫做视蛋白的蛋白质，它可以检测光线并告诉大脑人们看到的颜色。

不同的视蛋白决定了视锥细胞会变成绿色还是红色传感器，尽管每个传感器的基因保持96%的一致性。

通过一项发现类器官中细微基因差异的突破性技术，研究小组追踪了200天内视锥细胞比率的变化。

“因为我们可以控制类器官中绿色和红色细胞的数量，我们可以推动细胞池变得更绿或更红，”作者萨拉·海丁尼亚克说，她是约翰斯顿实验室的博士生，现在在杜克大学工作。

 

“这意味着要弄清楚维甲酸是如何作用于基因的。“

研究人员还绘制了700名成年人视网膜中这些细胞的广泛变化比率。

海丁尼亚克说，观察人类绿色和红色视锥细胞比例的变化是这项新研究最令人惊讶的发现之一。

科学家们仍然没有完全理解绿色和红色视锥细胞的比例如何在不影响某人视力的情况下发生如此大的变化。

约翰斯顿说，如果这些类型的细胞决定了人类手臂的长度，那么不同的比例将产生“惊人的不同”手臂长度。

为了加深对黄斑变性等疾病的了解，研究人员正在与约翰霍普金斯大学的其他实验室合作。黄斑变性会导致视网膜中心附近的感光细胞丧失。

目的是加深他们对视锥细胞和其他细胞如何与神经系统联系的理解。

约翰斯顿说:“未来的希望是帮助有这些视力问题的人。

“这还需要一段时间才能实现，但只要知道我们可以制造这些不同类型的细胞就非常非常有希望。”

约翰·霍普金斯大学的其他作者包括:李颖芝·c·艾尔缀德、鲍里斯·布雷纳曼、卡塔兹娜·a·赫西、乔安娜·f·d·哈根、拉吉夫·c·麦考伊、迈克尔·e·索利亚和詹姆斯·泰勒;以及华盛顿大学的詹姆斯·a·库琴贝克、托马斯·雷、伊恩·格拉斯、莫林·内茨、杰伊·内茨。

来源: Materials provided by Johns Hopkins University. Original written by Roberto Molar Candanosa.
注明: Content may be edited for style and length. Journal Reference: Sarah E. Hadyniak, Joanna F. D. Hagen, Kiara C. Eldred, Boris Brenerman, Katarzyna A. Hussey, Rajiv C. McCoy, Michael E. G. Sauria, James A. Kuchenbecker, Thomas Reh, Ian Glass, Maureen Neitz, Jay Neitz, James Taylor, Robert J. Johnston. Retinoic acid signaling regulates spatiotemporal specification of human green and red cones. PLOS Biology, 2024; 22 (1): e3002464 DOI: 10.1371/journal.pbio.3002464