Учёные из Университета Джонса Хопкинса обнаружили неожиданную роль производного витамина A в развитии человеческого зрения. Исследование показывает, как эта молекула взаимодействует с гормонами щитовидной железы и участвует в формировании участка глаза, отвечающего за наиболее чёткое зрение. Результаты ставят под сомнение научное объяснение, которого придерживались около 30 лет.
Исследователи проследили за необычным преобразованием, происходящим в развивающейся сетчатке до рождения: некоторые клетки, изначально чувствительные к синему свету, по-видимому, превращаются в клетки, воспринимающие красный и зелёный свет. Это помогает сформировать особое устройство центральной области сетчатки, необходимое для чёткого зрения.
Результаты опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. Они могут изменить представления учёных о развитии человеческого глаза и помочь в будущих исследованиях методов лечения макулярной дегенерации, глаукомы и других заболеваний, вызывающих потерю зрения.
«Это важный шаг к пониманию того, как устроен центр сетчатки — критически важная область глаза, которая первой начинает разрушаться у людей с макулярной дегенерацией. Лучше изучив эту область и создав органоиды, воспроизводящие её функции, мы надеемся однажды выращивать и пересаживать такие ткани, чтобы восстанавливать зрение», — сказал Роберт Дж. Джонстон-младший, доцент кафедры биологии Университета Джонса Хопкинса и руководитель исследования.
Как учёные воссоздали развитие человеческой сетчатки
Чтобы выяснить, как формируется зрение, Джонстон и его коллеги использовали лабораторный метод, который развивали в последние несколько лет. Вместо того чтобы полагаться только на эксперименты на животных, они выращивали миниатюрные модели человеческой сетчатки — органоиды.
Эти небольшие скопления клеток, выращенные из клеток плода, воспроизводят важные особенности развивающейся ткани человека. Наблюдая за органоидами в течение нескольких месяцев, учёные смогли проследить изменения, которые крайне трудно изучать во время беременности.
Исследователей интересовала фовеола — крошечный участок в самом центре сетчатки. Сетчатка — это светочувствительный слой в задней части глаза, который преобразует падающий свет в сигналы, воспринимаемые мозгом. Фовеола особенно важна для детального центрального зрения: благодаря ему люди могут читать, узнавать лица и различать мелкие детали.
По оценке исследователей, хотя фовеола занимает лишь небольшую часть сетчатки, на неё приходится около 50% зрительного восприятия человека.
В чём секрет острого зрения
Важную роль в работе фовеолы играют колбочки — специализированные светочувствительные клетки. В отличие от палочек, особенно важных при слабом освещении, колбочки обеспечивают дневное зрение и позволяют различать цвета.
У человека есть три типа колбочек, каждый из которых наиболее чувствителен к своей длине волны света. Их обычно называют синими, зелёными и красными. Сопоставляя сигналы от разных типов клеток, мозг различает широкий спектр цветов.
Колбочки распределены по сетчатке неравномерно. В фовеоле есть красные и зелёные колбочки, но нет синих — они встречаются в других участках сетчатки. Такое расположение необходимо для исключительно чёткого зрения, обеспечиваемого центральной областью глаза.
Десятилетиями учёные пытались объяснить, как формируется это распределение. Одно из главных препятствий состоит в том, что широко изучаемые животные, включая мышей и рыб, не имеют такой же организации сетчатки, как человек. Поэтому традиционные модели на животных не позволяют в полной мере исследовать развитие этих специализированных клеток.
Выращенные в лаборатории модели человеческой сетчатки дали исследователям возможность разобраться в этой давней загадке.
Витамин A и гормоны щитовидной железы меняют клетки
Исследователи обнаружили свидетельства того, что распределение колбочек в фовеоле формируется благодаря двум согласованным процессам. Вместе они определяют, какие типы клеток появляются в центральной части сетчатки и как некоторые из них меняются по мере развития.
На 10–12-й неделях развития плода в фовеоле сначала присутствует небольшое количество синих колбочек. Однако к 14-й неделе эти клетки, по-видимому, превращаются в красные и зелёные колбочки.
Учёные выявили два важных химических фактора, участвующих в этом процессе.
Первый — ретиноевая кислота, молекула, образующаяся из витамина A. Она помогает регулировать развитие и специализацию клеток в организме. В развивающейся сетчатке распад этой молекулы ограничивает образование синих колбочек в центральной области.
Второй фактор — гормоны щитовидной железы. Они известны прежде всего своей ролью в регуляции обмена веществ, но также важны для роста и развития. В данном случае, по-видимому, эти гормоны стимулируют превращение оставшихся синих колбочек в красные и зелёные.