Warum können Menschen Farben sehen, die Hunde nicht sehen können? Neue Forschungsergebnisse erklären es.

Neue Forschungsergebnisse zeigen, wie menschliche Netzhäute, die im Labor gezüchtet werden, zeigen, dass Retinsäure anstelle von Schilddrüsenhormonen die Entwicklung von für das menschliche Sehvermögen wichtigen Farbsinneszellen bestimmt. Diese Entdeckung trägt zu unserem Verständnis von Farbenblindheit, Sehverlust und der genetischen Grundlage dafür bei, wie wir Farben sehen, und bietet vielversprechende Ansätze für zukünftige Behandlungen von Sehstörungen.

Forscher haben menschliche Netzhäute in einem Labor kultiviert und dabei den Prozess aufgedeckt, durch den ein Derivat von Vitamin A die einzigartigen Zellen erzeugt, die für die Fähigkeit des Menschen verantwortlich sind, ein breites Spektrum von Farben wahrzunehmen. Diese visuelle Fähigkeit fehlt bei Hunden, Katzen und verschiedenen anderen Säugetieren.

"Diese retinalen Organoiden ermöglichten es uns zum ersten Mal, dieses sehr menschenspezifische Merkmal zu untersuchen", sagte der Autor Robert Johnston, Associate Professor für Biologie. "Es ist eine große Frage, was uns menschlich macht, was uns anders macht."

Die in der Zeitschrift PLOS Biology veröffentlichten Ergebnisse tragen zum Verständnis von Farbenblindheit, altersbedingtem Sehverlust und anderen mit Fotorezeptorzellen verbundenen Krankheiten bei. Sie zeigen auch, wie Gene der menschlichen Netzhaut instruieren, spezifische Farbsinneszellen herzustellen, ein Prozess, von dem die Wissenschaftler dachten, dass er von Schilddrüsenhormonen gesteuert wird.

Durch Modifikation der zellulären Eigenschaften der Organoiden fand das Forschungsteam heraus, dass eine Molekül namens Retinsäure darüber entscheidet, ob ein Zapfen sich auf die Wahrnehmung von rotem oder grünem Licht spezialisiert. Nur Menschen mit normalem Sehvermögen und eng verwandte Primaten entwickeln den roten Sensor.

Wissenschaftler dachten jahrzehntelang, dass rote Zapfen durch einen Münzwurfmechanismus entstehen, bei dem sich die Zellen zufällig für die Wahrnehmung von grünen oder roten Wellenlängen entscheiden - und Forschungsergebnisse des Teams von Johnston deuten kürzlich darauf hin, dass der Prozess von den Schilddrüsenhormonspiegeln gesteuert werden könnte. Die neue Forschung legt stattdessen nahe, dass rote Zapfen durch eine spezifische Abfolge von Ereignissen entstehen, die von Retinsäure in den Augenorchestriert werden.

Die Forscher fanden heraus, dass hohe Retinsäurewerte in der frühen Entwicklung der Organoiden mit höheren Anteilen von grünen Zapfen korrelierten. Ebenso veränderten niedrige Säurewerte die genetischen Anweisungen der Retina und erzeugten rote Zapfen später in der Entwicklung.

"Es könnte immer noch etwas Zufälligkeit dabei sein, aber unsere große Entdeckung ist, dass man Retinsäure früh in der Entwicklung herstellt", sagte Johnston. "Dieser Zeitpunkt ist wirklich wichtig, um zu lernen und zu verstehen, wie diese Zapfenzellen entstehen."

Grüne und rote Zapfenzellen sind bemerkenswert ähnlich, abgesehen von einem Protein namens Opsin, das Licht detektiert und dem Gehirn mitteilt, welche Farben Menschen sehen. Unterschiedliche Opsine bestimmen, ob ein Zapfen ein grüner oder roter Sensor wird, obwohl die Gene jedes Sensors zu 96% identisch bleiben. Mit einer bahnbrechenden Technik, die diese subtilen genetischen Unterschiede in den Organoiden aufspürte, verfolgte das Team über 200 Tage Veränderungen im Zapfenverhältnis.

"Weil wir in Organoiden die Population von grünen und roten Zellen kontrollieren können, können wir den Pool eher grün oder eher rot machen", sagte die Autorin Sarah Hadyniak, die die Forschung als Doktorandin in Johnstons Labor durchführte und nun an der Duke University tätig ist. "Das hat Auswirkungen darauf, herauszufinden, wie genau Retinsäure auf Gene wirkt."

Die Forscher kartierten auch die stark variierenden Verhältnisse dieser Zellen in den Netzhäuten von 700 Erwachsenen. Das Sehen, wie sich die Verhältnisse von grünen und roten Zapfen bei Menschen verändern, war eine der überraschendsten Erkenntnisse der neuen Forschung, sagte Hadyniak.

Wissenschaftler verstehen immer noch nicht vollständig, wie das Verhältnis von grünen und roten Zapfen so stark variieren kann, ohne das Sehvermögen einer Person zu beeinträchtigen. Wenn diese Arten von Zellen die Länge eines menschlichen Arms bestimmen würden, würden die unterschiedlichen Verhältnisse "erstaunlich unterschiedliche" Armänge produzieren, sagte Johnston.

Um das Verständnis von Krankheiten wie der altersbedingten Makuladegeneration zu vertiefen, bei der Lichtsensoren in der Nähe der Mitte der Netzhaut verloren gehen, arbeiten die Forscher mit anderen Laboren der Johns Hopkins Universität zusammen. Das Ziel ist es, ihr Verständnis dafür zu vertiefen, wie Zapfen und andere Zellen mit dem Nervensystem verbunden sind.

"Die zukünftige Hoffnung besteht darin, Menschen mit diesen Sehproblemen zu helfen", sagte Johnston. "Es wird noch eine Weile dauern, bis das geschieht, aber die Tatsache, dass wir diese verschiedenen Zelltypen herstellen können, ist sehr vielversprechend."