Лекция 3 (А. П. Перевозчиков) Развитие и эволюция глаз

Как эволюционировали глаза? Creationists often use the eye as a debate point to show that evolution is flawed, citing that the eye is too complex and perfect to have evolved. Darwin himself noted that To suppose that the eye… could have been formed by natural selection, seems, I freely confess, absurd in the highest possible degree, (The Origin of Species). He follows, however, with the assertion that eyes could likely evolve from light sensitive neurons. This seems to be the case.

Строение глаза млекопитающего

Различные типы глаз животных

Пути зрительного тракта

Иннервация аксонами зрительного нерва структур головного мозга лягушки

Сигнальная система Эфрина/EphR работает в ходе иннервации зрительного нерва

Предполагаемая эволюция глаза: глазное пятно глазная ямка глазной бокал глазной пузырь

Типы глаз 1. Выпуклый хрусталик со спрятанным глазом (Camera Eye) У позвоночных (человека) и некоторых беспозвоночных. Простой глаз (3 главных вида:)

Типы глаз Простые глаза 2. Вогнутый отражающий глаз Found in the clam Pecten and a few ostracod crustaceans. This produces bright but reasonably hazy picture. 3. Глаз в виде булавочного отверстия Pit or Cup eyes are found mainly in mollusks and can only resolve location of objects.

Эволюция глаза Research by Dan-E Nilsson and Susanne Pelger indicates that it is in fact easier to estimate the number of generations necessary to evolve an eye than complex organs. This is because these changes can be viewed as quantitative local modifications to a pre-existing tissue. In order to determine the number of generations needed to evolve an eye, Nilsson simply made calculations outlining the plausible sequence of alterations leading from a light sensitive spot to a fully developed lens eye.

Эволюция глаза Nilsson assumed an organism with a light sensitive patch of cells resting on a dark pigmented background and placed in a selection for spatial recognition. The first method to create a spatial recognition is either for a depression to form in the center of the patch, or for the edges of the patch to constrict and raise. This cupping would allow for the vague correlation of light to position where the exposure of an area on the patch is dependent on its angle to the light source.

Эволюция глаза This cupping evolution should first favor the formation of a depression in the patch, than the constriction of an aperture via the raising and constriction of the surrounding pigment epithelium. This results in a sunken eye cup that resembles that of some mollusks.

Эволюция глаза This pinhole-like eye is not very good at resolving detail and creates a very dim image. Because of this, any change that improves clarity and illumination will be favored. The two routes of change for this would be the development of a lens, or the increase in the size of the eye. Increasing the size of the eye, however, presents physical problems and less acute vision than a lens would.

The Nilsson and Pelger Theory of Eye Evolution

Эволюция глаза Nillson gauged number of 1% changes in structures in this diagram. The number of 1% steps comes out to 1829 necessary steps to progress from a light sensitive disk to a camera-eye. But how many generations will that take? Prepare for math on the next slide. I am so, so sorry.

Эволюция глаза R=h 2 iVm m=mean increase/decrease in a feature. h 2 =heritability. i=intensity of selection. V=coefficient of variation=ratio between standard deviation and mean in a population n=number of generations. h 2 =0.5 (common heritability), i and V both =.01 (low values for conservative estimation), therefore… R=.00005m, so small variation and weak selection produce a.005% change per generation. So… n = so n= generations.

Эволюция глаза So basically, it takes generations, roughly 364,000 years to evolve camera-type eyes given that reproduction occurs yearly and the brain of the animal can handle such visual processing. Things to note: Nilssons simulation does not take into account more specialized structures such as sclera and capillaries because they are not necessary for all types of camera eyes (gastropod mollusks lack these). This simulation also does not take into account the evolution of photoreceptors.

Nilssons simulation demonstrated basic structural evolution, but what about genetic evidence? Did eyes evolve independently or is there one common ancestor for all eyes? Get ready for some crazy, messed up, stuff.

Место и структура глаза эвглены.

Next, the eyespot dimples inward. This increases visual acuity by allowing the eye to sense the direction the light is coming from better than a flat eyespot. Planarians (flatworms) have such dimpled eyes

Around this point the pit begins to fill with a clear jelly-like material. It is thought that producing this jelly would be rather simple for most creatures - probably no more than one or two mutations. It is suggested that this jelly or slime helps to hold the shape of the pit, and helps to protect the light sensitive cells from chemical damage. And, the jelly might also keep mud and other debris out of the eye

Next, a lens is needed. To get a lens, a ball-shaped mass of clear cells with a slight increase in the refractive index is needed. Once this mass is formed, it can be refined with very slight increases in the refractive index to produce greater and greater visual acuity An examples of such an eye with a "primitive" lens is found in the Roman garden snail (Helix aspersa) or slug

PAX-6 и аниридия Prior to 1993 all evidence pointed to independent evolution of the eye. Then, while looking for transcription factors in fruit flies Walter Gehring and Rebecca Quiring discovered a gene nearly identical to the PAX-6 gene in mice and Aniridia in humans. All of which control the expression of eyes in a major way. Mutations in these analogues can truncate the development of eyes in mice and cause serious defects in the human eye. Could this be evidence against independent evolution of the eye? Asked Gehring. In order to find out he created…

Две группы фоторецепторов у всех многоклеточных животных Все фоторецепторы используют светочувствительный пигмент, производное витамина А, связанный с опсином. После возбуждения светом такой опсин связывается с G- белком (трансдуцином). Опсины и последствия передачи сигнала от G-белка у разных фоторецепторов различны. Вместе с тем у вторичноротых (позвоночные ) известные формы фоторецепторов относят к одной группе – цилиарных фоторецепторов (они содержат c-опсины). Другая группа, распространенная у первичноротых- рабдомерные фоторецепторы (содержат r-опсины) (найдены в сложных глазах членистоногих).

Третья недавно охарактеризованная группа фоточувствительных клеток, по-видимому, не участвует в формировании изображения. Это небольшая популяция клеток сетчатки (ок. 2%) - ганглиозные клетки, которые фоточувствительны в сочетании с пигментом меланопсином.Они передают информацию (о свете) непосредственно через ретиногипоталамический тракт прямо в супрахиазматическое ядро и другие структуры мозга. Сигналы от этих ганглиозных клеток служат для доводки размеров карандаша (чёткости), поступают в структуру, ответственную за циркадный ритм (эпифиз) и угнетают синтез мелатонина –гормона эпифиза. Последний процесс функционально развит у слепых людей, у которых палочки и колбочки не активны.

Зрение у позвоночных (в частности у млекопитающих) происходи благодаря функционированию двух групп фоторецепторных клеток сетчатки – палочек и колбочек, через фотопигменты: белки семейства опсинов и ретиналя (цис/транс форм) – производного витамина А

Родопсин - зрительный пигмент палочек, состоит гликопротеина (опсина) и хромофорной группы, 11- цис-ретиналя. Ретиналь является альдегидом витамина А1 (ретинола). Опсин представляет собой фоторецептор, связанный с G-белком. При воздействии света Родопсин - зрительный пигмент палочек, состоит гликопротеина (опсина) и хромофорной группы, 11-цис-ретиналя. Ретиналь является альдегидом витамина А1 (ретинола). Опсин представляет собой фоторецептор, связанный с G-белком. При воздействии света происходит реакция фотоизомеризации ретиналя и 11-цис-ретиналь переходит в транс-ретиналь, причем изменяется и связь между ретиналем и опсином. В темноте транс-ретиналь в ходе обратной реакции снова принимает цис-конформацию происходит реация фотоизомеризации ретиналя: 11-цис-ретиналь переходит в all-транс-ретиналь, причем изменяется и связь между ретиналем и опсином. В темноте транс-ретиналь в ходе обратной реакции снова принимает цис- конформацию

Цилиарный фоторецептор Увеличивает площадь фоторецепции за счёт увеличений поверхности модифицированного волоска (реснички), сконструированной из внутриклеточных мембран (микротрубочек?). Мембрана волоска складывается в стопки, так что фоторецепторная часть выглядит как стопки дисков.

Развитие глаза позвоночных

Развитие сетчатки глаза человека

Фоторецепторы сетчатки

Типы клеток сетчатки позвоночных

Действительно ли клетки всех типов сетчатки взрослого глаза возникают из морфогенетического поля однообразных нейрогенных клеток, сформировавшихся на ранней стадии глазного пузыря – глазного бокала? А ксоны ганглиозных клеток сетчатки шаг за шагом растут вдоль назовисочной или дорсовентральной осей, стериотипически проецируясь на латеральные геникулятные ядра (LGN) и супериорные холмы (SC). Пошаговая топография роста из сетчатки соответствует точной проекции ганглиозных аксонов на первичные визуальные центры среднего и промежуточного отделов головного мозга.

Клетка колбочки (колбочки птиц, пресмыкающихся и однопроходных млекопитающих содержат окрашенную масляную каплю). У людей в норме насчитывается три вида колбочек

Роль трансдуцина

Как у позвоночных передача зрительных сигналов у беспозвоночных происходит G-белок опосредованным путём. Однако у позвоночных представителем такого G-белка является трансдуцин, а у беспозвоночных эта форма G-белка соответствует Gq (dgq у дозофилы). Когда родопсин (Rh) абсорбирует фотон света хромофорной группой (11- cis-3-гидроксиретиналь) эта хромофорная группа изомеризуется в транс- 3-гидроксиретиналь Rh конформационно в активную форму – метародопсин. Метародопсин активирует Gq, который в свою очередь активирует фосфолипазу Cβ (PLCβ), также известную как NorpA. PLCβ гидролизует фосатидилинозитол (4,5)-бисфосфат (PIP2), - фосфолипид, локализованный в клеточной мембране, расщепляя его на инозитолтрифосфат (IP3) и диацилглицерол (DAG), также локализованные в плазматической мембране. DAG или его производное способствуют открытию каналов для ионов кальция, известных как TRP (transient receptor potential), что обусловливает приток в клетку ионов кальция и натрия.Инозитолтрифосфат( IP3) связывается со своими рецепторами в субрабдомерных цистернах (образовавшихся из эндоплазматического ретикулума) и также вызывает освобождение ионов кальция из клеточных депо, хотя это последнее действие, по- видимому, мало существенно для нормального зрения. Кальций связывается с белками, такими как калмодулин (CaM) и специфической для зрения протеинкиназой C (PKC), также известной как InaC. Эти белки взаимодействуют с другими белками и, по всей вероятности необходимы для прекращения ответа на свет. Кроме того, белки аррестины связывают метародопсин и удерживают его от активации через белок Gq.

Йодопсины позвоночных Фотопсины (также известные как йодопсины) – фоторецепторные белки колбочек сетчатки глаза. Фотопсины аналогичны родопсину палочек. Фотопсины состоят из белка опсина и и связанной с ним хромофорной группой – ретиналем.

Чувствительность фоторецепторов сетчатки позвоночных Хотя палочки и колбочки реагируют на длины электромагнитных волн в районе 555 нм (зелёный), светочувствительные ганглиозные клетки реагируют на свет в районе 480 нм (сине-фиолетовый). Для этих целей используются разные фотопигменты.

Происходит ли обновление структуры фоторецепторов? Ни палочки, ни колбочки не делятся. Их мембранные диски изнашиваются, начиная с внешних краёв. Остатки пигмента после фагоцитоза структур могут быть использованы другими фоторецепторами.

Паралоги генов рабдомерного и цилиарного фоторецепторов

Деполяризация и гиперполяризация фоторецепторов

Активация фоторецепторов позвоночных происходит гиперполяризацией, в отсутствии сигнала они деполяризованы и спонтанно освобождают нейротрансмиттер. Деполяризация происходит потому, что в темноте фоторецепторы имеют высокую концентрацию 5-цикло-ГМФ, что приводит к открытию ионных каналов натрия, через которые могут входить и ионы кальция. Деполяризация вызывает «утечку» нейротрансмиттера (глутамата). Глутамат может деполяризовать некоторые нейроны, гиперполяризовать другие, позволяя фоторецепторам действовать в антогонистической манере.

Гены, отвечающие за образование глаз у дрозофилы и мыши по Kumar, Moses, 2001

Паракринные факторы и факторы транскрипции, важные для дифференцировки клеток сетчатки глаза млекопитающего In situ hybridisation, knockouts, expression of dominant-negative transgenes, and application of growth factors in tissue culture all suggest that fibroblast growth factors, FGFs, form part of the distalising signal from the surface ectoderm. FGFs upregulate neural retina genes and downregulate RPE genes. Extra-ocular mesenchyme (the cells surrounding the optic cup), upregulate genes specific for the RPE. E10.5 mouse embryo - neural retina is composed of a field of undifferentiated retinal progenitor cells (RPCs). All RPCs express a common suite of transcription factors: Pax6, Rx1, Six3, Six6, Lhx2, Hes1. They are multipotent and can differentiate into ganglion cells, bipolar, amacrine, horizontal cells, photoreceptors and Müller glia

Дифференцировка и паттернирование клеток сетчатки глаза Marquardt et al. (2001) Cell 105, (Retina-specific KO of Pax6, showed Pax6 is required for maintaining this multipotency. Pax6-/- cells can only become amacrine neurons. Regionally restricted patterns of expression of transcription factors imposes dorso-ventral and naso-temporal specificity in cells within the developing optic cup. Nicole Baumer et al. (2002) Pax6 is required for establishing the naso-temporal and dorsal characteristics of the optic vesicle. Development 129, Maureen A. Peters and Constance L. Cepko (2002) The dorsal- ventral axis of the neural retina is divided into multiple domains of restricted gene expression which exhibit features of lineage compartments. Dev. Biol. 251,

Эволюционный консерватизм генетического контроля формирования глаз у животных Pax6 – the master regulatory gene? Required in many tissues throughout eye development from very early stages. Loss of function leads to loss of eyes in mice and flies. Expression is conserved in eyes in many different metazoan phyla with many different designs of eye, incl. octopus, clams, photosensitive ocellus of Ascidians and sense organs of nematodes. Ectopic expression in leg/wing/halteres/antennae imaginal discs of Drosophila leads to formation of ectopic eyes (i.e. Pax6 is sufficient to override the genetic programming of imaginal discs and make them form eyes). These eyes are functional in some cases. Get similar dramatic effects in vertebrates, ascidians, squid (ectopic expression gives ectopic eye structures)..

Позвоночные имеют гомологи генов всех этих семейств, многие из которых активны в глазных структурах. Гомологи умножаются за счёт дупликации генов PAX6: eyeless, twin of eyeless, eyegone = mouse/human Pax6. EYA: eyes absent = mouse/human Eya1, Eya2, Eya3, Eya4. SIX:sine oculis/D-Six4 = mouse/human Six1, Six2 / Six4, Six5. Optix = mouse/human Six3, Six6. DACH:dachshund = mouse/human Dach1, Dach2.

Эволюционный консерватизм генетического контроля формирования глаз у животных In vertebrates, although homozygous mutations in Pax6 lead to failure of eye development, loss of function of any single member of the EYA, SIX and DACH families does not (may get milder eye abnormalities). Redundancy? Even in Drosophila not all tissues that normally express the PAX6, EYA, SIX, DACH genes go on to form eyes and when these genes are ectopically expressed in leg or wing imaginal discs, only a subset of the cells go on to form eyes - requires other signals e.g expression of decapentaplegic (= BMP2/4). The PAX6, EYA, SIX, DACH interaction might be a conserved regulatory network that can drive differentiation of many tissues, with specificity depending on other extrinsic or intrinsic signals.

Эктопическая индукция глаза у дрозофилы по W.Gehring 2002

Электронная микрофотография сложного глаза дрозофилы. Каждая фасетка –омматидий. Сенсорная щетинка отходит от каждого омматидия (Photograph courtesy of T. Venkatesh.)

Эктопическая индукция глаза у дрозофилы мышиным геном (гомологом Pax6) (по W. Gehring 2002)

Flytato: У мутантной мушки появляются дополнительные эктопические глазки («как у картошки»), что делает её восхитительной. By turning on this gene, dubbed eyeless in developing cells that do not normally express it, it caused the fly to develop EXTRA EYES IN ODD PLACES. AS DID THE ADDITION OF THE PAX-6 AND ANIDIRIA GENES!

Flytato: Продолжение Extra eyes ARE light sensitive, ARE NOT wired into the brain like normal eyes. Is this evidence for a single origin of the eye? MAYBE. Ernst Mayr contests many eyeless organisms have similar genes. Mayr believes that this gene was originally part of a group of genes that shape the nervous system. As different organisms evolved, its role shifted. PAX-6 also regulates expression of the nose in mice and the production of tentacles in naughty children squid.

Рабдомерные фоторецепторы Увеличение поверхности фоторецепции за счёт складок плазматической мембраны (микровилл). Существуют различные клеточные типы таких рецепторов.

Сложный глаз Состоит из омматидий (рабдомерных рецепторов), каждый из которых функционирует как отдельный визуальный рецептор. The Apposition Eye Ommatidia function independently. The Superposition Eye Ommatidia cooperate to produce a brighter, superimposed image on the retina.

Differentiation of photoreceptors in the Drosophila compound eye. The morphogenetic furrow (arrow) crosses the disc from posterior (left) to anterior (right). (A) Confocal micrograph of a triple- labeled late larval eye/antennal imaginal disc, showing hairy expression in green ahead of the morphogenetic furrow (arrow). Within the furrow, the Ci protein (red) is expressed as a consequence of the Hedgehog signal. (It will activate the decapentaplegic gene.) The neural specific protein, 22C10, is stained blue in the differentiating photoreceptors behind the morphogenetic furrow. (The blue horizontal line of staining is Bolwegs nerve.) (B) Behind the furrow, the photoreceptor cells differentiate in a defined sequence. The first photoreceptor cell to differentiate (shown in blue) is R8. R8 appears to induce the differentiation of R2 and R5, and a cascade of induction continues until the R7 photoreceptor is differentiated. (A, photograph courtesy of N. Brown, S. Paddock, and S. Carroll; B after Tomlinson 1988.)

Wolff, T. and Ready, D. F. (1993). Паттерны образования сетчатки дрозофилы. In: The Development of Drosophila melanogaster. Cold Spring Harbor Laboratory Press. Vol. 2 Pp

Summary of the major genes known to be involved in the induction of Drosophila photoreceptors. For development to continue beyond the differentiation of the R8, R2, and R5 photoreceptors, the rough gene (ro) must be present in both the R2 and R5 cells. For the differentiation of the R7 photoreceptor, the sevenless gene (sev) has to be active in the R7 precursor cell, while the bride of sevenless gene (boss) must be active in the R8 photoreceptor. From Gilbert, 2003; After Rubin 1989.)

There are two basic types of eyes, the Simple and Compound eyes. Simple eyes include the Pinhole Eye, the Concave Mirror Eye and the Positive Lens Eye. Compound eyes are composed of multiple Ommatidia and have Apposition types and Superposition types. Two types of photoreceptors are believed to have evolved from a proto-receptor, Rhabdomeric and Ciliary. Nillson demonstrated how the structure of the eye could evolve from a light sensitive region to a Camera Eye structure in less than half a million years. PAX-6, Aniridia and eyeless are relatively analogues genes that control the expression of eyes. Flytato?

Различия в фоторецепторных сигнальных системах рабдомерного и цилиарного фоторецепторов Ciliary photoreceptors require transducin, a member of the Gi/o-family of G-proteins, whereas rhabdomeric photoreceptors use a member of the Gq/11-family of G-proteins

Паралоги генов рабдомерного и цилиарного фоторецепторов

Melanopsin's strong homology with invertebrate opsins and the depolarizing light response of ipRGCs suggests they may use a rhabdomeric phototransduction cascade. However, early patch clamp and pharmacological studies of ipRGCs could not directly confirm this hypothesis. This was most likely due to the whole-mount retina recording configuration often used in studying ganglion cell function. The combination of photosensitive ipRGC dendrites buried deep within the IPL, and a membrane sheath covering the ganglion cell bodies, can create a significant diffusion barrier for pharmacological agents, especially hydrophobic agents commonly used to study transduction mechanisms. To overcome this hurdle, Graham et al. recorded from dissociated ipRGC cell bodies in culture to study the intracellular phototransduction cascade. Isolated ipRGCs survive remarkably well in culture, generating robust light responses for up to 6 days and allowing for excellent pharmacological manipulation. Using this system, they showed that ipRGC phototransduction follows a rhabdomeric-like phosphoinositide cascade, requiring a member (or possibly members) of the Gq/11 family of G-proteins and the effector enzyme phospholipase C (PLC) ( (Graham, Wong et al. 2008). I n addition, the presence of specific Gq/11 and PLC isoforms was confirmed in ipRGCs using single-cell RT-PCR and immunocytochemistry, consistent with the pharmacological findings (Fig. 8) (Graham, Wong et al. 2008).

Свидетельства общности предка фоторецепторов Палочки и колбочки,по-видимому, эволюционировали от общего предка цилиарных фоторецепторов, тогда как ганглиозные, амакринные и горизонтальные клетки эволюционировали от рабдомерных предков.

Shubin, Tabin, Carroll, 2009 Do new anatomical structures arise de novo, or do they evolve from pre-existing structures? Advances in developmental genetics, palaeontology and evolutionary developmental biology have recently shed light on the origins of some of the structures that most intrigued Charles Darwin, including animal eyes, tetrapod limbs and giant beetle horns. In each case, structures arose by the modification of pre-existing genetic regulatory circuits established in early metazoans. The deep homology of generative processes and cell-type specification mechanisms in animal development has provided the foundation for the independent evolution of a great variety of structures.