A functional characterization of a Go‑opsin and a ratio-chromatic depth gauge in Platynereis dumerilii

Abstract

Light guides marine invertebrate larvae to their settlement places. A light guided behavior is phototaxis, which is mediated by opsins. Among the opsins, the Go‑opsins are ancient, but poorly characterized, because they only survived in marine invertebrates. A Go‑opsin is expressed with two rhabdomeric opsins in the adult eyes of the larva of Platynereis dumerilii. In the larva, the adult eyes mediate phototaxis. Here, I functionally characterized this Go‑opsin1, by generating a Go‑opsin1 knockout line with zinc-finger-nucleases. I designed several assays to study light guided behaviors of the larvae and to compare phototaxis of wild type and Go‑opsin1 knockout larvae. The Go‑opsin1 knockout larvae were phototactic but less phototactic to blue-cyan-green light, which is the spectral range that closely matches the in vitro spectrum of Go‑opsin1. Additionally, I found a new light guided behavior, which is as fast as phototaxis. When I stimulated the larvae with UV-light, the larvae swam down irrespective whether the light came from the top, the bottom or diffusely from all sides. This UV-response is a positive geotaxis induced by non-directional UV-light. The UV-response worked against phototaxis; the larvae swam down to certain ratios of UV and visible light. The ratios did not change when the light was dimmed. Therefore, the UV-response forms with phototaxis a ratio-chromatic depth gauge. The UV-response spectrum matched the absorption spectrum of c‑opsin1. C‑opsin1 is expressed in the ciliary photoreceptor cells, which have stacked membranes and so may be very sensitive. Therefore, the ciliary photoreceptor cells with c‑opsin1 may mediate the UV-response, while phototaxis is mediated by Go‑opsin1 and the rhabdomeric opsins. Go‑opsin1 seems to couple to a Gq‑protein in the rhabdomeric photoreceptor cells of the adult eyes. Therein, Go‑opsin1 differs from a scallop Go‑opsin, which seems to couple to a Go‑protein in ciliary photoreceptor cells. Ciliary photoreceptor cells as in Platynereis dumerilii are common among marine invertebrate larvae so that the depth gauge may be common among those larvae, too. The depth gauge may even trace back to the last common ancestor of all bilaterians. The depth gauge helps the larvae to find the right depth for settling on a global level, while positive and negative phototaxis helps the larvae to select locally a settlement site.

Licht lenkt die Larven mariner Wirbellosen zu ihren Siedlungsorten. Ein lichtgelenktes Verhalten ist Phototaxis, welches durch Opsine vermittelt wird. Unter den Opsinen sind die Go‑Opsine sehr alt, aber schlecht charakterisiert, weil sie nur noch in marinen Wirbellosen existieren. Ein Go‑Opsin ist mit zwei rhabdomerischen Opsinen in den definitiven Augen der Larve von Platynereis dumerilii exprimiert. In der Larve vermitteln die definitiven Augen Phototaxis. Hier charakterisierte ich dieses Go‑Opsin1 funktionell, indem ich eine Go‑Opsin1-Knockout-Linie mit Zinkfingernukleasen erzeugte. Ich entwickelte verschiedene Versuche, um lichtgelenktes Verhalten der Larven zu untersuchen, und um Phototaxis von Wildtyp- und Go‑Opsin-Knockout-Larven zu vergleichen. Die Go‑Opsin-Knockout-Larven waren phototaktisch aber sie reagierten weniger phototaktisch auf blau-zyan-grünes Licht, welches den Spektralbereich abdeckt, der dem in vitro Absorptionsspektrum von Go‑Opsin1 entspricht. Außerdem fand ich ein neues lichtgelenktes Verhalten, das genauso schnell einsetzt wie Phototaxis. Als ich die Larven mit UV-Licht stimulierte, schwammen sie nach unten, egal ob das Licht von oben, unten oder diffus von allen Seiten kam. Diese UV-Antwort ist eine positive Geotaxis, die von UV-Licht aktiviert wird. Die UV-Antwort arbeitet gegen Phototaxis: Die Larven schwammen nach unten, wenn UV und sichtbares Licht in bestimmten Verhältnissen zueinanderstanden. Diese Verhältnisse änderten sich nicht, als das Licht gedimmt wurde. Daher bildet die UV-Antwort mit Phototaxis einen ratio-chromatischen Tiefenmesser. Das UV-Antwortspektrum stimmte mit dem Spektrum von C‑Opsin1 überein. C‑Opsin1 ist in den ziliären Photorezeptorzellen exprimiert, die Membranstapel besitzen, und somit sehr sensitiv sein könnten. Daher könnten die ziliären Photorezeptorzellen mit C‑Opsin1 die UV-Antwort vermitteln, während Phototaxis durch Go‑Opsin1 und den rhabdomerischen Opsinen vermittelt wird. Go‑Opsin1 scheint in den rhabdomerischen Photorezeptorzellen der definiten Augen an ein Gq‑Protein zu koppeln. Darin unterscheidet sich Go‑Opsin1 von einem Muschel-Go‑Opsin, welches an ein Go‑Protein in ziliären Photorezeptorzellen zu koppeln scheint. Ziliäre Photorezeptorzellen sind verbreitet unter marinen Wirbellosenlarven, so dass auch der Tiefenmesser verbreitet sein könnte, ja sogar, dass er bereits vom letzten gemeinsamen Vorfahren aller Zweiseitentiere verwendet worden sein könnte. Der Tiefenmesser hilft den Larven, die richtige Tiefe im Allgemeinen zu finden, während positive und negative Phototaxis den Larven vor Ort hilft, einen Siedlungsort zu wählen.