De nouvelles perspectives sur la vision humaine

Elles nous permettent de voir le monde dans des milliers de couleurs: le rouge des fraises, le vert des feuilles, le bleu du ciel. Et c’est grâce à elles également que nous sommes capables d’identifier avec netteté l’ensemble des objets qui nous environnent et des mouvements rapides, comme le passage d’un train ou le vol d’une libellule. Elles, ce sont les opsines des cônes: de minuscules protéines réceptrices photosensibles situées dans notre rétine. Mais ces multitâches de la vision diurne sont également impliquées dans certaines maladies de la rétine.Une dégradation de la fonction des récepteurs des cônes due à des mutations génétiques ou à d’autres processus dégénératifs peut entraîner des maladies comme le daltonisme (dyschromatopsie) ou la dégénérescence maculaire liée à l’âge (DMLA), une maladie qui touche la rétine centrale et induisant une perte progressive de la vision.

Dans le cadre d’une nouvelle étude, Polina Isaikina et Sarah L. Schmidt, toutes deux chercheuses au PSI, ont réussi une première: déterminer la structure tridimensionnelle des opsines des cônes humains à l’état inactif en l’absence de lumière et montrer comment leur architecture moléculaire permet leur activation rapide sous l’effet de la lumière. Leurs travaux fournissent de nouvelles perspectives importantes sur la vision humaine et son évolution, de même que de nouveaux points de départ pour l’étude de maladies de l’œil incurables à ce jour. L’étude a été menée en collaboration avec des collègues du PSI, de l’Extreme Light Infrastructure en Tchéquie et de l’Université de Tokyo au Japon. Elle vient de paraître dans la revue spécialisée Science.

Des trublionnes

Les opsines des cônes sont des protéines photoréceptrices qui se trouvent dans les cônes. Les cônes eux-mêmes sont empaquetés bien serrés dans la fovéa. Cette partie de la rétine humaine est responsable de la vision nette. Nous autres humains avons six à sept millions de cônes dans chaque œil. Leurs récepteurs sont activés par la lumière et déclenchent une cascade de signalisation. Celle-ci produit finalement des signaux électriques qui sont traités par le cerveau. Comme ce processus se déroule à très grande vitesse, les photorécepteurs des cônes nous permettent de suivre des yeux les objets en mouvement. Mais les opsines des cônes sont principalement actives à la lumière du jour, lorsque l’intensité lumineuse est suffisante. Si la lumière est faible, pendant le crépuscule ou la nuit, c’est l’opsine des bâtonnets, une parente plus récente sur le plan évolutif, qui prend le relais.

La vision des couleurs chez l’être humain repose sur trois types d’opsines des cônes qui réagissent chacune à un autre domaine du spectre visible. L’opsine L est surtout sensible à la lumière rouge, l’opsine M à la lumière verte et l’opsine S à la lumière bleue. Bien qu’il n’existe que trois types de cônes, nous voyons le monde en bien plus de trois couleurs, car notre perception des couleurs résulte de l’interaction des sensibilités spectrales de ces cônes, qui se chevauchent.

La structure tridimensionnelle des opsines des cônes avant leur activation par la lumière ainsi que les raisons de leurs réactions exceptionnellement rapides restaient difficiles à décrypter. Ces récepteurs sont très dynamiques et peuvent même s’activer spontanément dans l’obscurité, ce qui complique considérablement la tâche de les isoler dans un état unique clairement défini.

Afin d’éviter toute activation accidentelle, les chercheurs ont travaillé dans le laboratoire exclusivement sous une lumière rouge très faible, avec des longueurs d’onde auxquelles les opsines des cônes sont pratiquement insensibles. «Pour déterminer la structure tridimensionnelle de ces récepteurs à l’état inactif en l’absence de lumière et comprendre leur activation rapide, nous avons dû surmonter d’importants obstacles techniques», explique Polina Isaikina. Pour ce faire, nous avons dû combiner plusieurs méthodes très avancées, notamment la cryomicroscopie électronique, la spectroscopie laser ultrarapide, des tests biochimiques et cellulaires, ainsi que des outils informatiques qui nous ont permis de concevoir ces récepteurs de manière ciblée et de les stabiliser pour des analyses approfondies.»

Mais leurs efforts ont été récompensés: l’équipe de recherche présente pour la première fois la structure d’opsines des cônes humains, notamment les variantes sensibles au bleu et au vert, dans leur état d’origine en l’absence de lumière. Même si l’opsine conique rouge n’a pas été directement étudiée, l’étroite similarité de sa structure génétique avec celle de l’opsine conique verte suggère qu’elle est gouvernée par des principes moléculaire similaires.

Un espace pour manœuvrer une molécule

Si l’on veut comprendre pourquoi les opsines des cônes peuvent convertir en un tour de main les impulsions lumineuses en signaux électriques, il vaut la peine de se pencher sur leurs organisations structurales. «Au centre de chaque photorécepteur conique se trouve le rétinal, une molécule photosensible dérivée de la vitamine A», explique Sarah L. Schmidt, doctorante et première auteure de l’étude.

Lorsque la lumière atteint l’œil, elle transmet de l’énergie au rétinal. Celui-ci change alors de forme, ce qui déclenche l’activation du photorécepteur et produit un signal électrique destiné au cerveau où s’opère la transmission rapide du signal. «Nos nouvelles données structurales et fonctionnelles suggèrent que les opsines des cônes sont conçues pour la transmission rapide du signal», relève Sarah L. Schmidt. Leur architecture inclut un réseau de «microrupteurs» internes qui leur permet de se lier à leur partenaire de signalisation intracellulaire, la protéine G ou transducine. Comme cette interaction est déjà prête à se produire au repos, la transmission du signal peut s’effectuer extrêmement rapidement dès que la lumière est absorbée. Cette réactivité moléculaire explique comment les photorécepteurs des cônes permettent la vision à la lumière du jour.

Un autre facteur qui contribue à la vitesse des cônes réside dans l’agencement du site de liaison du rétinal. Dans l’opsine conique verte, par exemple, cette poche de liaison est relativement ouverte, à l’entrée et à la sortie. De la sorte, le rétinal peut être rapidement déplacé après une impulsion lumineuse, et donc être prêt pour une nouvelle impulsion. La vitesse de cet échange permet d’actualiser rapidement les informations visuelles.

Mais les scientifiques du PSI ont découvert encore autre chose: la poche de liaison du rétinal de l’opsine sensible à la lumière bleue est aménagée plus étroitement et présente pour ainsi dire des «portes fermées» qui limitent efficacement le mouvement du rétinal. Un stimulus lumineux d’une énergie plus élevée est donc nécessaire pour provoquer une modification de la forme du ligand rétinal. La lumière bleue est naturellement plus énergétique que la lumière verte ou rouge. De ce fait, elle se prête particulièrement bien pour déclencher cette transition. A l’inverse, le rétinal dans l’opsine sensible à la lumière verte peut bouger beaucoup plus librement, de telle sorte que le récepteur réagit déjà à la lumière verte moins énergétique et qu’il peut même s’activer spontanément sans lumière.

Opsines des cônes: futures cibles thérapeutiques

Les résultats de cette étude peuvent contribuer à une meilleure compréhension des maladies de l’œil où les photorécepteurs des cônes dégénèrent ou ne fonctionnent pas correctement. Dans le monde, des centaines de millions de personnes sont touchées par différentes formes de déficience visuelle. Environ 5 % de la population mondiale est daltonienne, principalement des hommes. Les formes sévères de la dégénérescence maculaire liée à l’âge (DMLA) peuvent entraîner une perte de la vision centrale et, dans les cas avancés, la cécité. «Nos nouveaux résultats fournissent des perspectives moléculaires et structurales détaillées sur le fonctionnement des opsines des cônes, souligne Polina Isaikina. La compréhension structurale détaillée de ces mécanismes nous aide à identifier où se situent les dysfonctionnements dans ces maladies et où des traitements ciblés pourraient intervenir.»

A long terme, les scientifiques espèrent que leurs résultats feront avancer le développement de médicaments qui ciblent directement les opsines des cônes, afin de stabiliser leur fonction et de ralentir la perte visuelle. Les nouvelles découvertes issues de cette étude ouvrent par ailleurs des possibilités dans le développement de traitements optogénétiques plus précis, où les protéines photoréceptrices sont modifiées pour que les signaux cellulaires soient restaurés ou modulés.

Texte: Andreas Lorenz-Meyer

À propos du PSI

L'Institut Paul Scherrer PSI développe, construit et exploite des grandes installations de recherche complexes et les met à la disposition de la communauté scientifique nationale et internationale. Les domaines de recherche de l'institut sont centrés sur des technologies d'avenir, énergie et climat, innovation santé ainsi que fondements de la nature. La formation des générations futures est un souci central du PSI. Pour cette raison, environ un quart de nos collaborateurs sont des postdocs, des doctorants ou des apprentis. Au total, le PSI emploie 2300 personnes, étant ainsi le plus grand institut de recherche de Suisse. Le budget annuel est d'environ CHF 450 millions. Le PSI fait partie du domaine des EPF, les autres membres étant l'ETH Zurich, l'EPF Lausanne, l'Eawag (Institut de Recherche de l'Eau), l'Empa (Laboratoire fédéral d'essai des matériaux et de recherche) et le WSL (Institut fédéral de recherches sur la forêt, la neige et le paysage).

Contact

Dr. Polina Isaikina
PSI Center for Life Sciences
Institut Paul Scherrer PSI

+41 56 310 21 29
polina.isaikina@psi.ch
[anglais]

Sarah L. Schmidt
PSI Center for Life Sciences
Institut Paul Scherrer PSI

+41 56 310 38 52
sarah.schmidt@psi.ch
[allemand, anglais]

Publication originale

Illuminating the molecular basis of human daylight vision
Sarah L. Schmidt, Jakub Dostal, Saumik Sen, Andrej Hovan, Deborah Walter, Martin V. Appleby, Asato Kojima, Hideaki E. Kato, John H. Beale, Miroslav Kloz, Gebhard F. X. Schertler, Polina Isaikina
Science, 25.06.2026 (online)
DOI: 10.1126/science.adz3624

Le communiqué de presse sur le site de l'Institut Paul Scherrer PSI:

https://www.psi.ch/fr/news/communiques-de-presse/de-nouvelles-perspectives-sur-la-vision-humaine