視覚光伝達

光受容細胞は、刺激がない状態、すなわち暗所（暗所）では脱分極するという点で特異な細胞である。明所（明るい場所）では、光受容細胞は過分極して−60mVの電位になる 。

暗闇では、cGMP濃度が高く、cGMP依存性ナトリウムチャネルが開いた状態を維持するため、暗電流と呼ばれる安定した内向き電流が発生します。この暗電流によって細胞膜電位は約-40mVに脱分極され 、グルタミン酸が放出されてニューロンの興奮が抑制されます。

暗所条件下での細胞膜の脱分極により、電位依存性カルシウムチャネルが開きます。細胞内Ca2 ⁺濃度の上昇により、神経伝達物質であるグルタミン酸を含む小胞が細胞膜と融合し、グルタミン酸がシナプス間隙（ある細胞の末端と別のニューロンの始端の間の領域）に放出されます。グルタミン酸は通常は興奮性神経伝達物質ですが、ここでは抑制性神経伝達物質として機能します。

錐体細胞経路では、グルタミン酸が次の働きをする。

• 中心軸上双極細胞を過分極させる。暗闇で光受容体から放出されたグルタミン酸は、代謝型グルタミン酸受容体（mGluR6）に結合し、Gタンパク質共役機構を介して細胞内の非特異的カチオンチャネルを閉じ、双極細胞を過分極させる。
• 中心からずれた双極細胞を脱分極させる。グルタミン酸がイオンチャネル型グルタミン酸受容体に結合すると、内向きの陽イオン電流が発生し、双極細胞が脱分極する。

要約すると、光はcGMP依存性ナトリウムチャネルを閉じ、Na ^+イオンとCa2 ^{+イオンの両方の流入を減少させます。Na +}イオンの流入を止めることで、暗電流が効果的に遮断されます。この暗電流の減少により光受容体が過分極し、グルタミン酸の放出が減少するため、網膜神経の抑制が軽減され、これらの神経が興奮します。光伝達中のCa2 ^{+流入の減少は、以下の}§ 光伝達カスケードの不活性化で説明するように、光伝達の不活性化と回復を可能にします。

1. 光子が光受容細胞内のオプシン複合体にあるレチナール分子 と相互作用する。レチナールは異性化を起こし、11-シス-レチナールからオールトランス-レチナール構造へと変化する。
2. したがって、オプシンは構造変化を起こしてメタロドプシンIIとなる。
3. メタロドプシンIIは、トランスデューシンと呼ばれるGタンパク質を活性化します。これにより、トランスデューシンは結合していたGDPから解離し、GTPと結合します。その後、トランスデューシンのαサブユニットはβサブユニットおよびγサブユニットから解離しますが、GTPは依然としてαサブユニットに結合したままです。
4. αサブユニット-GTP複合体は、ホスホジエステラーゼ（PDE6とも呼ばれる）を活性化する。この複合体は、PDE（それ自体が四量体である）の2つの調節サブユニットのうちの1つに結合し、その活性を促進する。
5. PDEはcGMPを加水分解してGMPを生成する。これにより細胞内のcGMP濃度が低下し、ナトリウムチャネルが閉じる。^{[ 5 ]}
6. ナトリウムチャネルが閉じると、カリウムイオンの継続的な流出により細胞の過分極が起こる。
7. 細胞の過分極は、電位依存性カルシウムチャネルの閉鎖を引き起こす。
8. 光受容細胞内のカルシウム濃度が低下すると、細胞から放出される神経伝達物質であるグルタミン酸の量も減少します。これは、グルタミン酸を含む小胞が細胞膜と融合して内容物を放出するにはカルシウムが必要だからです（SNAREタンパク質を参照）。
9. 光受容体から放出されるグルタミン酸の量が減少すると、中心オン型双極細胞（桿体および錐体On型双極細胞）の脱分極と、中心オフ型錐体双極細胞の過分極が引き起こされる。

光照射下では、cGMPレベルが低いためNa ⁺チャネルとCa2 ⁺チャネルが閉じ、細胞内Na ⁺とCa2 ⁺が減少します。回復期（暗順応期）には、Ca2 ⁺レベルが低いため、以下のように回復（光伝達カスケードの終結）が誘導されます。

1. 細胞内Ca2 ^+濃度が低下すると、Ca2 ^+がグアニル酸シクラーゼ活性化タンパク質（GCAP）から解離する。遊離したGCAPは最終的に枯渇したcGMPレベルを回復させ、cGMP依存性カチオンチャネルを再び開く（暗電流を回復させる）。
2. 細胞内Ca2 ⁺濃度が低いと、Ca2 ^+がGTPase活性化タンパク質（GAP）（Gタンパク質シグナル伝達の調節因子としても知られる）から解離する。遊離したGAPはトランスデューシンを不活性化し、光伝達カスケードを終結させる（暗電流を回復させる）。
3. ^{細胞内Ca2 +濃度}が低いと、細胞内Ca-リカベリン-RK複合体がCa2 ⁺、リカベリン、ロドプシンキナーゼ（RK）に解離する。遊離したRKはメタロドプシンIIをリン酸化し、トランスデューシンとの結合親和性を低下させる。その後、アレスチンがリン酸化されたメタロドプシンIIを完全に不活性化し、光伝達カスケードを終結させる（暗電流を回復させる）。
4. 細胞内Ca2 ^+濃度が低いと、cGMP依存性カチオンチャネル内のCa2 ⁺ /カルモジュリン複合体が低cGMPレベルに対してより敏感になり（これにより、低cGMPレベルでもcGMP依存性カチオンチャネルが開いたままになり、暗電流が回復する）^{[ 6 ]。}

さらに詳しく説明すると：

RGS（Gタンパク質シグナル伝達調節因子）のGTPase加速タンパク質（GAP）はトランスデューシンのαサブユニットと相互作用し、結合したGTPをGDPに加水分解させ、ホスホジエステラーゼの作用を停止させ、cGMPからGMPへの変換を阻止します。この光伝達カスケードの不活性化ステップ（Gタンパク質トランスデューサーの不活性化）は、光伝達カスケードの不活性化における律速段階であることがわかっています。^{[ 7 ]}

言い換えれば、グアニル酸シクラーゼ活性化タンパク質（GCAP）はカルシウム結合タンパク質であり、細胞内のカルシウム濃度が低下すると、GCAPは結合していたカルシウムイオンから解離し、グアニル酸シクラーゼと相互作用して活性化します。その後、グアニル酸シクラーゼはGTPをcGMPに変換し、細胞内のcGMP濃度を回復させることで、光伝達中に閉じられていたナトリウムチャネルを再び開きます。

最後に、メタロドプシンIIは不活性化されます。カルシウム結合タンパク質であるリカベリンは、カルシウムが存在する場合、通常はロドプシンキナーゼに結合しています。光伝達中にカルシウム濃度が低下すると、カルシウムはリカベリンから解離し、ロドプシンキナーゼが放出されてメタロドプシンIIをリン酸化し、トランスデューシンへの親和性が低下します。最後に、別のタンパク質であるアレスチンがリン酸化されたメタロドプシンIIに結合し、完全に不活性化します。こうして、最終的に光伝達は不活性化され、暗電流とグルタミン酸放出が回復します。メタロドプシンIIがリン酸化されてアレスチンに結合し、不活性化されるこの経路が、暗順応のS2成分の原因であると考えられています。S2成分は、あらゆる光退色強度において暗順応の開始時に存在する暗順応機能の線形部分を表しています。

ショウジョウバエのゲノムは7つのオプシンをコードしており、^{[ 11 ]}そのうち5つは眼のオマチディアで発現している。光受容細胞R1-R6はオプシンRh1を発現しており、^{[ 12 ]}青色光（約480  nm）を最大限に吸収するが、^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]} R1-R6細胞は、UV領域（355 nmと370 nm）に2つの感度最大値を追加する感光性色素^{[ 16 ] [ 17 ]} により、オプシンが許容するよりも広いスペクトル範囲をカバーする。^{[ 15 ]} R7細胞には、黄色と淡色の桿状体を持つ2つのタイプ（R7yとR7p）がある。^{[ 18 ] [ 19 ]}淡色の R7p 細胞は、紫外線(345 nm)を最大に吸収するオプシン Rh3 を発現します。 ^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]} R7p 細胞は、紫色の光 (437 nm) を最大に吸収する Rh5 を発現する R8p 細胞と厳密にペアになっています。 [ 21 ] [ 15 ] もう一方の黄色の R7y 細胞は、青色を吸収する遮蔽色素 [ 18 ] と紫外線 (375 nm ^{)を最大に吸収する}オプシン Rh4 を発現します^{。 [ 23} ] [ 22 ^{] R7y細胞は、青緑色の光 (508 nm) を最大に吸収する Rh6 を発現する R8y 細胞と厳密にペアになっています。 [ 24 ]} [ ¹⁵ ]オーマチ^{ディアの一部では}、R7 細胞と R8 細胞の両方がオプシン Rh3 を発現します。^{[ 21 ]}    

しかし、これらのオプシンの吸収極大は、遮蔽色素のない白眼のハエ（Rh3-Rh6）^{[ 22 ] [ 15 ]} 、または単離されたオプシン（Rh1）から直接測定されたものである。^{[ 13 ]}これらの色素は、波長に応じてオプシンに到達する光を減少させる。したがって、色素が完全に存在するハエでは、オプシンの実効吸収極大が異なり、光受容細胞の感度も異なる。遮蔽色素がある場合、オプシンRh3は345  nm ^{[ a ]}から330  nmに、Rh4は375  nmから355 nmに短波長シフトする。遮蔽色素の有無は、オプシンRh5（435 nmと437 nm） には実際的な違いをもたらさないが、オプシンR6は508 nmから600 nmに92 nm長波長シフトする。^{[ 10 ]}     

ショウジョウバエの眼のオプシンに加えて、ショウジョウバエにはさらに 2 つのオプシンがあります。単眼はオプシン Rh2 を発現し、^{[ 25 ] [ 26 ]}紫色の光 (約 420  nm) を最大に吸収します。^{[ 26 ]}また、オプシン Rh7 は、紫外線 (350  nm) を最大に吸収し、500 nm までの異常に長い波長の尾部を持ちます 。90 位のリジンをグルタミン酸に置換すると、長い尾部は消失します。この変異体は紫色の光 (450  nm) を最大に吸収します。^{[ 27 ]}オプシン Rh7 は、クリプトクロムとともに、ショウジョウバエの概日リズムを中枢ペースメーカーニューロンの昼夜サイクルに同調させます。^{[ 28 ]}

ショウジョウバエの各オプシンは、リジンを介してカロテノイド発色団11-cis-3-ヒドロキシレチナールに結合します。^{[ 29 ] [ 30 ]}このリジンはほぼすべてのオプシンで保存されており、進化の過程で失われたオプシンはごくわずかです。^{[ 31 ]}リジンを持たないオプシンは光感受性がありません。^{[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]}特に、ショウジョウバエのオプシンRh1、Rh4、Rh7は、光受容体としてだけでなく、アリストロキア酸の化学受容体としても機能します。これらのオプシンは、他のオプシンと同様にリジンを持っています。しかし、Rh1でリジンがアルギニンに置き換えられると、Rh1は光感受性を失いますが、アリストロキア酸には反応します。したがって、Rh1が化学受容体として機能するためにリジンは必要ありません。^{[ 33 ]}

脊椎動物の視覚と同様に、無脊椎動物の視覚伝達もGタンパク質共役経路を介して起こる。ただし、脊椎動物ではGタンパク質はトランスデューシンであるのに対し、無脊椎動物ではGq（ショウジョウバエではdgq ）である。ロドプシン（Rh）が光子を吸収すると、その発色団である11-cis-3-ヒドロキシレチナールがall-trans-3-ヒドロキシレチナールに異性化する。Rhは立体構造変化を起こして活性型であるメタロドプシンになる。メタロドプシンはGqを活性化し、Gqは次にNorpAとして知られるホスホリパーゼCβ（PLCβ）を活性化する。^{[ 35 ]}

PLCβは、細胞膜に存在するリン脂質であるホスファチジルイノシトール（4,5）-ビスリン酸（PIP ₂）を加水分解して、可溶性のイノシトール三リン酸（IP ₃）とジアシルグリセロール（DAG）に分解し、DAGは細胞膜に残ります。DAG、DAGの誘導体、またはPIP ₂の枯渇により、一過性受容体電位（TRP）と呼ばれるカルシウム選択性イオンチャネルが開き、カルシウムとナトリウムが細胞内に流入します。^{[ 36 ]} IP ₃は、小胞体の延長であるサブラブドメリック槽のIP 3_受容体に結合してカルシウムを放出すると考えられていますが、このプロセスは正常な視覚には必須ではないようです。^{[ 35 ]}

カルシウムは、カルモジュリン（CaM）やInaCとして知られる眼特異的なプロテインキナーゼC （PKC）などのタンパク質に結合します。これらのタンパク質は他のタンパク質と相互作用し、光応答の停止に必要であることが示されています。さらに、アレスチンと呼ばれるタンパク質はメタロドプシンに結合し、Gqの活性化を阻害します。CalXとして知られるナトリウム-カルシウム交換体は、カルシウムを細胞外に排出します。これは、内向きのナトリウム勾配を利用して、 3 Na ⁺ / 1 Ca ^++の化学量論比でカルシウムを排出します。^{[ 37 ]}

TRP、InaC、およびPLCは、InaDと呼ばれる足場タンパク質に結合することでシグナル伝達複合体を形成する。InaDは、標的タンパク質のC末端に特異的に結合するPDZドメインタンパク質と呼ばれる5つの結合ドメインを含んでいる。PDZドメインまたは標的タンパク質のいずれかに突然変異が生じると、複合体が破壊され、シグナル伝達効率が低下する。例えば、プロテインキナーゼCであるInaCとInaDの相互作用が阻害されると、光応答の不活性化が遅れる。

脊椎動物のメタロドプシンとは異なり、無脊椎動物のメタロドプシンは、オレンジ色の光（580 nm）の光子を吸収することでロドプシンに変換することができる 。