Une étude du NIH sur les écureuils terrestres suggère une double fonction pour les mitochondries dans les cellules photoréceptrices.
Des chercheurs du National Eye Institute (NEI) ont découvert que les organelles productrices d’énergie des cellules photoréceptrices de l’œil, appelées mitochondries, fonctionnent comme des microlentilles qui aident à canaliser la lumière vers les segments externes de ces cellules où elle est convertie en signaux nerveux. La découverte faite chez l’écureuil terrestre donne une image plus précise des propriétés optiques de la rétine et pourrait permettre de détecter plus tôt les maladies oculaires. Les résultats, publiées aujourd’hui dans Science AdvancesL’étude a également permis de faire la lumière sur l’évolution de la vision. Le NEI fait partie des National Institutes of Health.
“Nous avons été surpris par ce phénomène fascinant selon lequel les mitochondries semblent avoir un double objectif : leur rôle métabolique bien établi de production d’énergie, ainsi que cet effet optique “, a déclaré le chercheur principal de l’étude, Wei Li, Ph.D./B.M., qui dirige la section de neurophysiologie rétinienne du NEI.
Les résultats de l’étude abordent également un mystère de longue date concernant la rétine des mammifères. Malgré la pression de l’évolution pour que la lumière soit traduite en signaux et passe instantanément de la rétine au cerveau, le voyage n’est pas direct. Une fois que la lumière atteint la rétine, elle doit traverser plusieurs couches neurales avant d’atteindre le segment externe des photorécepteurs, où se produit la phototransduction (la conversion de l’énergie physique de la lumière en signaux cellulaires). Les photorécepteurs sont de longues structures tubulaires divisées en segments internes et externes. Le dernier obstacle que doit franchir un photon avant de passer du segment interne au segment externe est un faisceau exceptionnellement dense de mitochondries.
Les mitochondries des photorécepteurs coniques ont une double fonction : elles produisent de l’énergie pour la cellule et, selon une nouvelle étude, elles agissent également comme des microlentilles. Ce rôle optique permet de concentrer la lumière lorsqu’elle passe du segment interne au segment externe de la cellule. C’est dans le segment externe que l’énergie physique de la lumière est traduite en signaux cellulaires. Crédit : National Eye Institute
Ces faisceaux de mitochondries semblent aller à l’encontre du processus de vision, soit en diffusant la lumière, soit en l’absorbant. L’équipe de Li a donc entrepris d’étudier leur rôle en étudiant les photorécepteurs à cône de l’écureuil terrestre à 13 lignes.
Contrairement à d’autres modèles animaux utilisés pour la recherche sur la vision, la rétine de l’écureuil terrestre à 13 lignes est composée principalement de cônes, qui voient les couleurs, par opposition aux bâtonnets qui permettent la vision nocturne. L’équipe de Li étudie l’écureuil terrestre à 13 lignes pour mieux comprendre les causes des maladies oculaires humaines qui affectent principalement les photorécepteurs à cônes.
Les chercheurs ont utilisé un microscope confocal modifié pour observer les propriétés optiques des mitochondries coniques vivantes exposées à la lumière. Loin de disperser la lumière, les mitochondries serrées concentrent la lumière le long d’une fine trajectoire en forme de crayon sur le segment externe. La modélisation informatique utilisant des reconstructions de mitochondries à haute résolution a corroboré les résultats de l’imagerie en direct.
“La fonction de lentille des mitochondries peut également expliquer le phénomène connu sous le nom d’effet Stiles Crawford”, a déclaré le premier auteur de l’article, John Ball, Ph.D., un scientifique de la section de neurophysiologie de la rétine.
Les scientifiques qui mesurent les réponses de la rétine à la lumière ont longtemps observé que lorsque la lumière pénètre dans l’œil près du centre de la pupille, elle semble plus brillante que la lumière d’intensité égale qui pénètre dans l’œil près du bord de la pupille.
Dans cette étude, Li a découvert que l’effet de lentille des mitochondries suivait un profil d’intensité lumineuse directionnel similaire. En d’autres termes, selon l’emplacement de la source lumineuse, les mitochondries concentrent la lumière dans le segment externe de la cellule selon des trajectoires qui reflètent celles observées dans l’effet Stiles-Crawford.
Le lien entre la fonction de lentille des mitochondries et l’effet Stiles-Crawford a des implications cliniques potentielles. L’effet observé depuis longtemps peut maintenant servir de base à la détection non invasive des maladies de la rétine, dont on pense que beaucoup impliquent un dysfonctionnement mitochondrial à leur origine. Par exemple, on a signalé que les patients atteints de rétinite pigmentaire présentaient un effet Stiles-Crawford anormal, même s’ils avaient une bonne acuité visuelle. Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour explorer les changements structurels et fonctionnels des mitochondries des cônes et leurs manifestations dans les caractéristiques optiques détectables.
Enfin, les résultats offrent de nouvelles perspectives sur la façon dont nos yeux ont pu évoluer.
Comme les mitochondries dans l’étude de Li, à l’intérieur des photorécepteurs duChez les oiseaux et les reptiles, de minuscules gouttelettes d’huile sont situées dans la partie du segment interne la plus proche du segment externe, et on pense qu’elles jouent un rôle optique. En outre, la “microlentille” mitochondriale des photorécepteurs coniques des mammifères confère une fonctionnalité qui rappelle celle de l’œil composé des arthropodes comme les mouches et les bourdons.
“Cette découverte jette un pont conceptuel entre les yeux composés des arthropodes et les yeux-caméras des vertébrés, deux systèmes de formation d’images qui ont évolué indépendamment l’un de l’autre, démontrant ainsi le pouvoir de l’évolution convergente”, a déclaré Li.
Référence : “Mitochondria in cone photoreceptors act as microlenses to enhance photon delivery and confer directional sensitivity to light” par Ball JM, Chen S, Li W., 2 mars 2022, Science Advances.
DOI : 10.1126/sciadv.abn2070
Cette étude a été financée par le programme de recherche intra-muros du NEI.
