Die Evolution der Phototransduction und von Opsinen in Arthropoden

Visuelle Systeme sind im Verlauf der Evolution in zahlreichen Tiergruppen entstanden, einschließlich der Arthropoden. Innerhalb dieser Gruppe existiert eine bemerkenswerte Vielfalt in der Ausformung der visuellen Leistungsfähigkeiten. Einige Crustaceen haben Augen mit vielen Photorezeptoren unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeiten, was ihnen eine ausgezeichnete Farbwahrnehmung verleiht. Andere Vertreter der Arthropoden haben die Augen vollständig verloren. Die Augen der Arthropoden sind vermutlich aus einem einfachen, pigmentieren Becherauge entstanden. Dies kann aus einem Vergleich der Augen der Onychophoren oder Stummelfüßer mit denjenigen der Arthropoden abgeleitet werden. Das Farbsehen ist vermutlich innerhalb der Abstammungslinie der Arthropoden entstanden. Eine Grundvoraussetzung für das Farbensehen ist das Vorhandensein verschiedener Opsine. Die Farbsehpigmente sind aus einem Opsin-Protein und einem lichtempfindlichen Chromophor dem Retinal zusammengesetzt. Dieses Rhodopsin erfährt nach der Absorption eines Lichtquants eine Konformationsänderung die dann über eine "second messenger" Kaskade zur Phototransduktion führt. Farbsehen bei Spinnen wurde durch Verhaltenstests mit Springspinnen nachgewiesen. Diese Tiere haben drei verschiedene visuelle Opsine, die sich nach phylogenetischen Analysen in drei Gruppen einteilen lassen, mit maximalen Empfindlichkeiten im mittleren-, langwelligen- und im ultravioletten Bereich des Spektrums. Kürzlich konnten wir darüberhinaus zeigen, dass die Jagdspinne Cupiennius salei (Ctenidae) ebenfalls drei visuelle Opsine in den Augen exprimiert. Farbensehen konnte jedoch in Verhaltensversuchen bislang nicht nachgewiesen werden. Wenn C. salei kein Farbensehen aufweist, muss nach anderen Erklärungen für die Anwesenheit multipler Opsine gesucht werden. Eine einfache Erklärung könnte die Ausweitung des spektralen Empfindlichkeitsbereichs sein. Darüber hinaus hat C. salei zusätzlich zu den drei Haupttypen visueller Opsine noch zahlreiche sehr ähnliche Kopien, die typischerweise nur in wenigen Aminosäuren abweichen. In anderen Tiermodellen konnte gezeigt werden, dass bereits eine geringe Anzahl veränderter Aminosäuren die spektrale Empfindlichkeit deutlich verändern kann. Dies eröffnet die Möglichkeit, die spektralen Empfindlichkeiten der zahlreichen Opsin-Kopien zu messen, indem sie in Drosophila melanogaster Mutanten überführt werden, denen das arteigene Opsin vollständig fehlt. Die Experimente mit Spinnen-Opsinen exprimiert in D. melanogaster sind in der Lage zu zeigen, ob die beobachteten Änderungen in der Aminosäuresequenz zu veränderten spektralen Empfindlichkeiten führt, oder ob die Effizienz in der Signaltransduktion beeinflusst wird. Die Kaskade der Phototransduktion ist der erste Schritt in dem ein visueller Stimulus in neuronale Aktivität überführt wird. Diese Kaskade ist in Wirbeltieren und in D. melanogaster sehr gut untersucht. Es gibt jedoch kaum Daten von anderen Tieren, weshalb wir diese Vorgänge in Spinnen und Stummelfüßern untersuchen wollen, die zwei wichtige Zweige der Arthropoden darstellen, die beide auch abweichende Typen von Opsinen im Vergleich zu D. melanogaster haben. Die Befunde dieser Untersuchungen können neue Aspekte der Opsin Evolution und der Signal Transduktion aufzeigen, was notwendig ist, um die Evolution visueller Systeme in allen Tieren mit Augen zu verstehen

Jeder Sehvorgang beginnt mit dem Auftreffen von Licht auf der Retina eines Auges und der Induktion einer biochemischen Reaktionskaskade (Phototransduktion) in den lichtempfindlichen Zellen (Photorezeptoren). Die Phototransduktion bewirkt ein bioelektrisches Signal, das von den Photorezeptoren, über weitere nachgeschaltete Zellen, bis in die visuellen Zentren des Gehirns gelangt, wo das Signal verarbeitet wird. In diesen Zentren entsteht eine Repräsentation der sichtbaren Umgebung, deren Wahrnehmung zu einer Verhaltensreaktion führen kann (Kampf oder Flucht). Das lichtempfindliche Protein wird Opsin genannt und es kann für unterschiedliche Wellenlängen (d.h. Farben) empfindlich sein. Eine Voraussetzung, um Farben unterscheiden zu können, ist das Vorhandensein von mindestens zwei Opsinen mit unterschiedlicher Empfindlichkeit. Wir haben alle exprimierten Gene in zwei Tieren analysiert, in der Retina der Spinne Cupiennius salei und in sich entwickelnden Embryos des Stummelfüßers Euperipatoides kanangrensis. Wir haben in der Spinne sechs und im Stummelfüßer drei verschiedene Opsine gefunden. Von den sechs Opsinen der Spinne werden vier in der Retina exprimiert. Durch den Vergleich ihrer Protein Sequenzen mit denjenigen anderer Arthropoden zeigt sich, dass die Retina von Cupiennius salei drei Opsine mit unterschiedlicher Farbempfindlichkeit sowie ein zusätzliches Peropsin exprimiert. In anderen Tieren konnte gezeigt werden, dass Peropsin bei der Wiederherstellung der Opsine nach der Reaktion mit einem Photon beteiligt ist. Da bei der Spinne drei verschiedene Opsine vorhanden sind ist die erste Voraussetzung für das Vorhandensein von Farbensehen erfüllt. Damit ein Tier jedoch Farben wahrnehmen kann müssen noch weitere Voraussetzungen erfüllt sein. Die verschiedenen Opsine müssen in getrennten Photorezeptoren exprimiert werden und die visuellen Zentren müssen Farbensehen ermöglichen. Um das zu testen haben wir Antikörper hergestellt, die diese Opsine detektieren und konnten feststellen, dass tatsächlich Photorezeptoren jeweils nur ein Opsin exprimieren. Damit ist ein weiteres Kriterium für Farbensehen erfüllt. Jedoch konnte in keiner der Verhaltensstudien bislang Farbsehen nachgewiesen werden.Weitere Studien der visuellen Zentren sowie des Verhaltens könnten aufklären ob C. salei Farbensehen besitzt, oder ob das Vorhandensein verschiedener Opsine auf eine bislang unbekannte Funktion hindeutet. Darüberhinaus haben wir die Komponenten der Phototransduktionskette analysiert und sowohl in der Spinne als auch im Stummelfüßer alle gefunden, die für Drosophila melanogaster beschrieben wurden. In der Retina der Spinne haben wir Duplikate einiger Phototransduktions-Proteine gefunden, die in den verschiedenen Augentypen unterschiedlich exprimiert werden, das deutet darauf hin, dass zwei Augentypen mit unterschiedlicher Entwicklungsgeschichte existieren.