Nuove intuizioni nel campo della vista umana

Le opsine ci consentono di vedere il mondo in migliaia di colori: il rosso delle fragole, il verde delle foglie, il blu del cielo. Inoltre, grazie a queste proteine, possiamo riconoscere in modo nitido tutti gli oggetti che ci circondano. Ma non solo, le opsine ci consentono di percepire i movimenti rapidi, come ad esempio la corsa di un treno o il volo di una libellula. Stiamo parlando delle opsine dei coni: minuscole proteine recettoriali fotosensibili presenti nella nostra retina. Tuttavia, questi veri e propri tuttofare della visione diurna sono spesso coinvolti anche nelle retinopatie. Una compromissione della funzione dei recettori dei coni, causata da mutazioni genetiche o da altri processi degenerativi, può portare a patologie quali il daltonismo e la degenerazione maculare legata all'età (DMLE o AMD, in inglese), una malattia che interessa la parte centrale della retina e provoca una progressiva perdita della vista.

In un nuovo studio, Polina Isaikina e Sarah L. Schmidt, due ricercatrici del Centro per le scienze della vita dell'Istituto Paul Scherrer PSI, sono riuscite per la prima volta a determinare la struttura tridimensionale delle opsine dei coni umani quando si trovano al buio e a dimostrare come la loro architettura molecolare consenta la loro rapida attivazione ad opera della luce. Questa scoperta offre nuovi e importanti approfondimenti sulla vista umana e sulla sua evoluzione, fornendo nuovi spunti per la ricerca su patologie oculari finora difficilmente curabili. Lo studio è stato condotto in collaborazione con le colleghe e i colleghi dell'Istituto Paul Scherrer PSI, dell’Extreme Light Infrastructure (ELI) nella Repubblica Ceca e dell’Università di Tokyo, in Giappone, ed è ora apparso sulla rivista scientifica Science.

Alleati difficili

Le opsine dei coni sono proteine fotorecettrici presenti nelle cellule dei coni, cellule raggruppate ad altissima densità nella regione della retina nota come fovea centralis. Questa zona della retina umana è responsabile della visione nitida. Gli esseri umani dispongono dai sei ai sette milioni di coni in ciascun occhio. I loro recettori vengono attivati dalla luce, scatenando una cascata di segnali che, alla fine, genera segnali elettrici che vengono elaborati dal cervello. Poiché questo processo si svolge con estrema rapidità, i fotorecettori dei coni ci consentono di seguire con i nostri occhi gli oggetti in movimento. Tuttavia, le opsine dei coni sono attive principalmente durante il giorno, quando l’intensità luminosa è elevata. In condizioni di scarsa illuminazione, al crepuscolo e di notte, questo compito viene assunto dal loro parente evolutivamente più recente: l'opsina dei bastoncelli, presente nelle cellule dei bastoncelli.

La visione dei colori nell'uomo si basa su tre tipi di opsine dei coni, ciascuna delle quali reagisce a una diversa zona dello spettro visibile. I coni L sono i più sensibili alla luce rossa, i coni M a quella verde e i coni S a quella blu. Sebbene esistano solo tre tipi di coni, noi vediamo il mondo in ben più di tre colori, poiché la nostra percezione cromatica deriva dall'interazione delle loro sensibilità spettrali sovrapposte.

La struttura tridimensionale delle opsine dei coni prima della loro attivazione ad opera della luce, così come le ragioni alla base delle loro risposte eccezionalmente rapide, sono state finora difficili da decifrare. Questi recettori sono molto dinamici e possono attivarsi spontaneamente anche al buio, il che rende molto difficoltoso l'isolamento di tali recettori in un singolo stato ben definito.

Per evitare attivazioni accidentali, i ricercatori hanno lavorato in laboratorio esclusivamente sotto una luce rossa molto flebile, a lunghezze d’onda alle quali le opsine dei coni sono poco sensibili. «Per determinare la struttura tridimensionale di questi recettori nel loro stato di buio e comprenderne la rapida attivazione, abbiamo dovuto superare grandi ostacoli tecnici», afferma Polina Isaikina. "Per raggiungere questo scopo abbiamo dovuto combinare diversi metodi altamente avanzati, tra cui la microscopia crioelettronica, la spettroscopia laser ultraveloce, test biochimici e cellulari, nonché strumenti computazionali che ci hanno permesso di ottimizzare in modo mirato e stabilizzare questi recettori per uno studio dettagliato.»

Lo sforzo è stato ripagato: il team di ricerca presenta ora, per la prima volta, le strutture delle opsine dei coni umani, in particolare delle varianti sensibili alla luce blu e verde, nel loro stato originario, in condizioni di buio. Sebbene l'opsina dei coni rossa non sia stata oggetto di ricerca, la sua stretta somiglianza genetica con quella verde suggerisce che gli stessi principi molecolari dovrebbero valere anche per quest’ultima.

Una molecola in cerca di spazio

Per capire in che modo le opsine dei coni riescono, in un battito di ciglia, a convertire gli impulsi luminosi in segnali elettrici vale la pena osservare la loro organizzazione strutturale. «Al centro di ogni opsina dei coni si trova il cosiddetto retinale, una molecola fotosensibile formata a partire dalla vitamina A», spiega Sarah L. Schmidt, dottoranda e prima autrice dello studio.

Quando la luce colpisce l'occhio, trasferisce energia al retinale, inducendolo a modificare la propria forma. Questo, a sua volta, innesca l'attivazione del fotorecettore e la generazione di un segnale elettrico diretto al cervello, dove vengono elaborate le informazioni visive. «I nostri nuovi dati strutturali e funzionali indicano che le opsine dei coni sono progettate per una trasmissione rapida dei segnali», afferma Schmidt. La loro struttura molecolare comprende una rete di «microinterruttori» interni, grazie ai quali possono connettersi con il partner di segnalazione intracellulare, la proteina G trasduttrice. Poiché questa interazione ha luogo già allo stato di riposo, la trasmissione del segnale può svolgersi in modo estremamente rapido non appena viene assorbita la luce. Questo stato di «prontezza» contribuisce a spiegare come i fotorecettori dei coni soddisfino le esigenze della visione diurna.

Un altro fattore che contribuisce alla velocità delle opsine dei coni risiede nell’architettura del sito di legame del retinale. Nell’opsina dei coni verdi, ad esempio, questa tasca di legame è relativamente aperta all’entrata e all’uscita. Questo permette al retinale di essere rapidamente sostituito dopo un impulso luminoso, preparandosi così al successivo. Un tale rapido ricambio supporta un aggiornamento veloce delle informazioni visive.

I ricercatori e le ricercatrici dell'Istituto Paul Scherrer PSI, tuttavia, hanno scoperto anche qualcos'altro: il sito di legame del retinale nell'opsina sensibile alla luce blu ha una struttura più stretta e presenta delle «porte chiuse» che limitano efficacemente il movimento del retinale. Di conseguenza, è necessario uno stimolo luminoso con maggiore energia per indurre un cambiamento della forma del ligando retinale. La luce blu porta intrinsecamente più energia rispetto alla luce verde o rossa ed è quindi particolarmente adatta a innescare questa transizione. Al contrario, il retinale nell'opsina sensibile al verde può muoversi in modo nettamente più libero, permettendo al recettore di reagire alla luce verde a minore energia e di attivarsi spontaneamente persino in assenza di luce.

I risultati di questo studio potrebbero aiutare a comprendere meglio le patologie oculari associate alla perdita o alla disfunzione dei fotorecettori dei coni. Nel mondo, centinaia di milioni di persone sono affette da svariate forme di disabilità visive. Circa il cinque per cento della popolazione mondiale soffre, ad esempio, di disturbi della percezione cromatica, soprattutto gli uomini. Le forme più gravi di degenerazione maculare legata all'età (DMLE o AMD, in inglese) possono portare alla perdita della visione centrale e, nei casi avanzati, possono sfociare nella cecità. «I nostri nuovi risultati forniscono informazioni molecolari e strutturali dettagliate sul funzionamento delle opsine dei coni», afferma Polina Isaikina. "Una comprensione strutturale dettagliata di questi meccanismi ci aiuta a capire dove qualcosa "va storto» in queste patologie e dove si potrebbero applicare terapie mirate.

A lungo termine, i ricercatori e le ricercatrici sperano che i loro risultati facciano progredire lo sviluppo di farmaci che agiscano in modo mirato sulle opsine dei coni, con lo scopo di stabilizzarne la funzione e rallentare la perdita della vista. Le nuove conoscenze offerte dallo studio hanno inoltre aperto una serie di potenzialità per lo sviluppo di trattamenti di optogenetica più precisi, con i quali le proteine fotosensibili vengono modificate in modo da ripristinare o modulare i processi di segnalazione cellulare.

Testo: Andreas Lorenz-Meyer

Informazioni sul PSI

L'Istituto Paul Scherrer PSI sviluppa, costruisce e gestisce grandi e complesse strutture di ricerca e le mette a disposizione della comunità di ricerca nazionale e internazionale. La sua ricerca si concentra sulle tecnologie del futuro, l'energia e il clima, l'innovazione sanitaria e i fondamenti della natura. La formazione dei giovani è una preoccupazione centrale del PSI. Per questo motivo, circa un quarto dei nostri dipendenti sono ricercatori post-dottorato, dottorandi o apprendisti. Il PSI impiega un totale di 2.300 persone, il che lo rende il più grande istituto di ricerca della Svizzera. Il budget annuale è di circa 450 milioni di franchi svizzeri. Il PSI fa parte del settore dei PF, che comprende anche il Politecnico di Zurigo e l'EPF di Losanna, nonché gli istituti di ricerca Eawag, Empa e WSL.

Contatto

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

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

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

+41 56 310 38 52
sarah.schmidt@psi.ch
[Tedesco, Inglese]

Pubblicazione 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

Testo originale:

https://www.psi.ch/it/news/comunicati-stampa/nuove-intuizioni-nel-campo-della-vista-umana