26.02.2020 - Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik

Das genetische Geheimnis des Nachtsehens

Die kompakte DNA-Organisation verbessert die Sehkraft nachtaktiver Säugetiere

Eines der bemerkenswertesten Merkmale des Wirbeltierauges ist seine Netzhaut auf der Augeninnenseite. Überraschenderweise befinden sich die empfindlichen Teile der Fotorezeptorzellen auf der Rückseite der Netzhaut, was bedeutet, dass das Licht erst durch lebendes Nervengewebe reisen muss, bevor es detektiert werden kann. Während der Ursprung der hohen optischen Qualität der Netzhaut noch weitgehend unerforscht ist, wird seit langem vermutet, dass eine besondere DNA-Organisation der Verbesserung des Sehvermögens bei nachtaktiven Säugetieren dient. Forscher am Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG) in Dresden zeigten nun, dass die optische Qualität der Netzhaut von Mäusen im ersten Monat nach der Geburt zunimmt, was zu einer verbesserten visuellen Empfindlichkeit bei schwierigen Lichtverhältnissen führt. Diese optische Verbesserung wird durch die kompakte Organisation des genetischen Materials im Zellkern von Stäbchen-Fotorezeptorzellen verursacht.

Die Netzhaut ist vielleicht der erstaunlichste Teil des Auges von Wirbeltieren. Diese lichtempfindliche Gewebeschicht säumt den hinteren Teil des Augapfels und dient als Projektionsfläche für die von der Linse projizierten Bilder. Die Netzhaut hat eine Dicke von 130 bis 500 Mikrometern, dies entspricht der Dicke mehrerer Blätter Papier, und besteht aus fünf Schichten dichten Nervengewebes. Da sich die empfindlichen Teile der Fotorezeptorzellen auf der Rückseite der Netzhaut befinden, muss das Licht durch dieses dichte Nervengewebe hindurch reisen, um die Fotorezeptoren zu erreichen. Die Forscher vermuteten schon lange, dass eine bestimmte kompakte Anordnung der DNA im Zellkern der Stäbchen-Fotorezeptoren das Sehen bei nachtaktiven Tieren verbessern könnte, aber es blieb unklar, ob und wie das Nachtsehen von dieser Organisation des genetischen Materials profitieren würde.

Wissenschaftler um den Forschungsgruppenleiter Moritz Kreysing am MPI-CBG wollten zusammen mit Kollegen von der TU Dresden und dem Biozentrum der Ludwig-Maximilians-Universität München herausfinden, ob und warum Zellen der retinalen Nervenzellen optisch besonders sind und welche Auswirkungen dies auf die Transparenz der Netzhaut hat. Transparenz bedeutet in diesem Zusammenhang, dass jede Stäbchenzelle weniger Licht streut und dadurch transparenter ist. Die Forscher konzentrierten sich insbesondere auf die Bedeutung der DNA-Verdichtung in den Stäbchen-Fotorezeptorzellen und darauf, ob Veränderungen in den optischen Eigenschaften der Netzhaut stark genug sind, um das Sehvermögen der Maus unter schwierigen Lichtbedingungen zu verbessern. Kaushikaram Subramanian, der Erstautor der Studie, erklärt dies: „Bei der Untersuchung von Mäusen stellten wir fest, dass die optische Qualität der Netzhaut während des ersten Monats nach der Geburt zunimmt. Es gibt eine zweifache Verbesserung der Netzhauttransparenz, die durch die kompakte Umlagerung des genetischen Materials im Zellkern verursacht wird. Mit Verhaltenstests bei Mondlicht-Verhältnissen konnten wir auch zeigen, dass Mäuse mit dieser DNA-Anpassung unter schwachen Lichtbedingungen besser sehen konnten als Mäuse, denen eine solche Anordnung fehlte.“ Die Mäuse waren bis zu zehnmal besser in der Lage, Bewegungen zu erkennen und Kontraste bei schwachem Licht besser zu wahrzunehmen.

Die Forschung offenbart nicht nur die Funktion dieser ungewöhnlichen DNA-Organisation in der Netzhaut. Ferner zeigt die Arbeit, dass die Bildklarheit nicht nur eine Frage der Bildprojektionslinse ist, sondern empfindlich von der optischen Qualität der Netzhaut abhängt. Moritz Kreysing, der die Studie betreut hat und auch Mitglied des Zentrums für Systembiologie Dresden ist, fasst zusammen: „Unsere Studie deutet weiter darauf hin, dass Methoden der Genetik dazu genutzt werden könnten, die optischen Eigenschaften von Zellen und Geweben zu verändern. Es wäre spannend zu sehen, ob die Genetik zur Verbesserung der Transparenz von Zellen und Geweben eingesetzt werden kann, was der biologischen Mikroskopie von lebenden Geweben immens zugutekommen würde.“

Fakten, Hintergründe, Dossiers
  • Sehvermögen
  • Augen
  • Netzhaut
  • Fotorezeptoren
Mehr über MPI für molekulare Zellbiologie und Genetik
  • News

    Eine neue Ära der Genomsequenzierung

    Das internationale Vertebrate Genomes Project (VGP) veröffentlicht seine Flaggschiff-Studie die sich mit der Qualität und Standardisierung von Genomassemblierungen beschäftigt, zusammen mit 20 dazugehörigen Publikationen. In dieser Studie werden 16 diploide, hochqualitative, nahezu fehlerfr ... mehr

    Spermien auf dem richtigen Weg

    Ein wesentlicher Bestandteil aller eukaryotischen Zellen ist das Zytoskelett. Mikrotubuli, winzige Röhrchen, die aus einem Protein namens Tubulin bestehen, sind Teil dieses Zellskeletts. Zilien und Geißeln, antennenartige Strukturen, die aus den meisten Zellen unseres Körpers herausragen, e ... mehr

    Die Gene hinter den Superkräften der Fledermäuse

    Fledermäuse können fliegen und sich mit Hilfe von Echoortung mühelos in völliger Dunkelheit orientieren; sie überleben tödliche Krankheiten und sind erstaunlich widerstandsfähig gegenüber dem Altern und Krebs. Forscher haben nun erstmals das Erbgut von Fledermäusen nahezu vollständig entsch ... mehr

  • Videos

    Science Café: Die Wunderheiler - Regeneration

    Ein abgerissenes Bein wächst nach, ein abgebissener Schwanz ebenso: Der Axolotl, ein Salamander aus Mexiko, ist wie ein Wunderheiler und kann Verletzungen mit Hilfe von Regeneration selbst beheben. Der Champion der Regeneration ist der Plattwurm: Ihn kann man ihn unzählige Teile zerhacken, ... mehr

    Science Café: CRISPR/Cas

    Mit dem CRISPR/Cas-System können Gene eingefügt, entfernt und ausgeschaltet werden - punktgenau, schnell und effizient. Für die Grundlagenforschung ist das eine wichtiger Fortschritt, und auch im Bereich der Gentherapie bedeutet diese neue Technologie eine riesige Chance. Was aber, wenn die ... mehr

  • Forschungsinstitute

    Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik

    Das 1998 gegründete Max-Planck-Institut für Molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG) ist eines von 80 Instituten der Max-Planck-Gesellschaft, einer unabhängigen, gemeinnützigen Forschungsorganisation in Deutschland. „Wie bilden Zellen Gewebe?“ Das MPI-CBG widmet sich in einer neuartig ... mehr

Mehr über Max-Planck-Gesellschaft
  • News

    Wirkstoffe effizient in Zellen schmuggeln

    Ein neues, patentiertes Verfahren namens Progressive Mechanoporation ermöglicht es, die Membranen von Zellen kurzzeitig mechanisch aufzureißen und so Medikamente oder Gene in das Innere zu bringen. Auf diese Weise können Forscher leichter als bisher neue Therapien testen. Moderne Impfstoffe ... mehr

    Fehler am Anfang des Lebens

    Statistisch führt bei Frauen nur jede dritte Befruchtung zu einer erfolgreichen Schwangerschaft. Viele Embryonen überstehen die frühe Entwicklungsphase nicht. Forschende am Göttinger Max-Planck-Institut (MPI) für biophysikalische Chemie haben nun mit Kollegen am Friedrich-Loeffler-Institut, ... mehr

    Bildung hat keinen Einfluss auf die Alterung des Gehirns

    Entgegen der landläufigen Meinung zeigt eine neue Studie des EU-Konsortiums „Lifebrain“, dass mehr Bildung die Alterung des Gehirns nicht verlangsamt. Wissenschaftler aus acht Ländern maßen das Hirnvolumen von mehr als 2.000 Studienteilnehmenden mithilfe der strukturellen Magnetresonanztomo ... mehr

  • Videos

    Epigenetics - packaging artists in the cell

    Methyl attachments to histone proteins determine the degree of packing of the DNA molecule. They thereby determine whether a gene can be read or not. In this way, environment can influence the traits of an organism over generations. mehr

    Biomaterials - patent solutions from nature

    Animals and plants can produce amazing materials such as spider webs, wood or bone using only a few raw materials available. How do they achieve this? And what can engineers learn from them? mehr

    Chaperone - Faltungshelfer in der Zelle

    In der Zelle geht es manchmal zu wie beim Brezelbacken: Damit ein Protein richtig funktionieren kann muss seine Aminosäurekette in die richtige Form gebracht werden. Franz-Ulrich Hartl erforscht, wie die sogenannten Chaperone als Faltungshelfer der Proteine wirken. mehr

  • Forschungsinstitute

    Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.

    Max-Planck-Institute betreiben Grundlagenforschung in den Natur-, Bio-, Geistes- und Sozialwissenschaften im Dienste der Allgemeinheit. Die Max-Planck-Gesellschaft greift insbesondere neue, besonders innovative Forschungsrichtungen auf, die an den Universitäten in Deutschland noch keinen od ... mehr