ホリネズミ光受容体錐体内のミトコンドリア (黄色) の束は、拡散光 (下からの輝き) (青色ビーム) のより正確な焦点合わせにおいて予期しない役割を果たします。この光学的挙動により、錐体細胞の色素がより効率的に光を捕捉できるようになり、視力が向上します。
蚊がマイクロレンズ アレイを通してあなたを見ています。あなたは頭を向け、ハエたたきを手に持ち、謙虚な一眼で吸血鬼を見ます。しかし、あなたが思っている以上にお互い、そして世界を見ることができることがわかりました。
ジャーナル Science Advances で先月発表された研究では、哺乳類の眼の内部で、細胞に栄養を与える細胞小器官であるミトコンドリアが 2 番目のマイクロレンズの役割を担うことができ、光色素に光を集中させるのに役立ち、これらの色素が光を脳の神経信号に変換して、解釈。この発見は、哺乳類の目と昆虫や他の節足動物の複眼との間に顕著な類似性があることを示しており、私たち自身の目には潜在的な光学的複雑性があり、進化によって細胞解剖学の非常に古い部分が新たな用途のために発見されたことを示唆しています。
眼の前部にあるレンズは、環境からの光を、網膜と呼ばれる後部の組織の薄い層に集束させます。そこでは、光受容細胞 (私たちの世界を彩る錐体と、暗い場所での移動を助ける桿体) が光を吸収し、それを脳に送られる神経信号に変換します。しかし、光色素は光受容体の一番端、太いミトコンドリア束のすぐ後ろにあります。このバンドルの奇妙な配置は、ミトコンドリアを一見不必要な光散乱障害物に変えます.
ミトコンドリアは光粒子に対する「最後の障壁」であると、国立眼科研究所の上級研究員で論文の筆頭著者である Wei Li 氏は述べています。何年もの間、視覚科学者はこれらのオルガネラのこの奇妙な配置を理解できませんでした。結局のところ、ほとんどの細胞のミトコンドリアは、その中央のオルガネラである核にくっついています。
一部の科学者は、これらのビームは、光信号が神経信号に変換される場所からそう遠くない場所で進化した可能性があると示唆しています。これは、エネルギーを簡単にポンピングして迅速に送達できるようにするエネルギー集約的なプロセスです。しかしその後、研究により、光受容体はエネルギーのために多くのミトコンドリアを必要とせず、代わりに、細胞のゼラチン状の細胞質で起こる解糖と呼ばれるプロセスでより多くのエネルギーを得ることができることが示され始めました.
リーと彼のチームは、ゴーファーの錐体細胞を分析することによって、これらのミトコンドリア路の役割について学びました.
ミトコンドリアの束が光学特性を持つ可能性があることをコンピューター シミュレーションが示した後、リーと彼のチームは実際のオブジェクトでの実験を開始しました。彼らはリスの網膜の薄いサンプルを使用し、いくつかの錐体細胞を除いてほとんどの細胞を取り除いたので、「ミトコンドリアの袋だけ」が膜の中にきれいに詰め込まれた、とリーは述べた.
このサンプルを照らし、リーの研究室の科学者であり研究の筆頭著者であるジョン・ボールによって設計された特別な共焦点顕微鏡で注意深く調べたところ、予想外の結果が得られました。ミトコンドリア ビームを通過する光は、明るく、鋭く焦点を合わせたビームとして表示されます。研究者たちは、これらのマイクロレンズを通して暗闇を透過する光の写真とビデオを撮影しました。そこでは、光色素が生きている動物を待っています。
ミトコンドリア束は、障害としてではなく、損失を最小限に抑えてできるだけ多くの光を光受容体に届けるという重要な役割を果たしている、と Li は言う。
シミュレーションを使用して、彼と彼の同僚は、レンズ効果が主にミトコンドリア束自体によって引き起こされ、その周りの膜によって引き起こされないことを確認しました (ただし、膜は役割を果たします)。ホリネズミの自然史の特異性は、ミトコンドリア束の形状が集中力にとって重要であることを示すのにも役立ちました。ホリネズミが冬眠する数か月間、ミトコンドリア束は無秩序になり、収縮します。研究者たちが、眠っているジリスのミトコンドリア束を光が通過するときに何が起こるかをモデル化したところ、光が引き伸ばされて高度に秩序化されているときほど光が集中しないことがわかりました。
過去に、他の科学者は、ミトコンドリア束が網膜で光を収集するのに役立つ可能性があることを示唆していたと、コロンビア大学医療センターの眼科教授であるジャネット・スパロウは指摘しています.しかし、その考えは奇妙に思えました。- 彼女は言いました。「これは本当にそれを証明する文書であり、非常に優れています。」
リーと彼の同僚は、ホリネズミで観察したことは、非常によく似たピラミッド構造を持つ人間や他の霊長類でも起こっている可能性があると考えています。彼らは、1933 年に最初に説明された Stiles-Crawford 効果と呼ばれる現象を説明できるかもしれないと考えています。この現象では、瞳孔の中心を通過する光は、ある角度で通過する光よりも明るいと見なされます。中央の光はミトコンドリア束により集中できるため、研究者は錐体色素により集中できると考えています。彼らは、Stiles-Crawford 効果を測定することで、網膜疾患の早期発見に役立つ可能性があることを示唆しています。網膜疾患の多くは、ミトコンドリアの損傷と変化につながります。Lee のチームは、病気のミトコンドリアがどのように異なる方法で光を集中させるかを分析したいと考えていました。
これは「美しい実験モデル」であり、非常に新しい発見であると、この研究には関与していない UCLA の眼科助教 Yirong Peng 氏は述べています。これらのミトコンドリアの束が桿体内部でも機能して暗視を改善できるかどうかを見るのは興味深いだろう、と Peng は付け加えた.
少なくとも錐体では、これらのミトコンドリアは、光を自然に屈折させる脂質で膜が構成されているため、マイクロレンズに進化した可能性がある、と Lee は述べた。「それは単にその機能に最適な素材です。」
脂質もまた、この機能を自然界のどこかで見つけているようです。鳥類や爬虫類では、油滴と呼ばれる構造が網膜に発達し、カラー フィルターとして機能しますが、ミトコンドリア バンドルなどのマイクロレンズとしても機能すると考えられています。収斂進化の壮大なケースでは、鳥が頭上を旋回し、蚊が楽しい人間の獲物を取り囲んでいます。これは、独立して進化した適切な視覚的特徴、つまり視聴者を引き付ける適応でこれを読むことができます。ここに澄んだ明るい世界がやってきます。
編集者注: Yirong Peng は、クリンゲンシュタイン-シモンズ フェローシップの支援を受けました。このプロジェクトは、シモンズ財団によって部分的にサポートされており、独立して編集されたこの雑誌にも資金を提供しています。シモンズ財団の資金提供の決定は、私たちの報告に影響しません。
訂正: 2022 年 4 月 6 日 最初のメイン画像のタイトルは、ミトコンドリア バンドルの色を黄色ではなく紫色と誤って識別していました。紫色の染色は、バンドルを囲む膜に関連付けられています。
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投稿時間: 2022 年 8 月 22 日
