Cryptochrom als potentielles Rezeptormolekül für die lichtabhängige Magnetkompassorientierung von Zugvögeln

Das aktuell diskutierte Modell der lichtabhängigen Magnetrezeption bei Vögeln beschreibt, dass die Richtung des Erdmagnetfelds durch Radikalpaarprozesse in spezialisierten Photorezeptoren wahrgenommen wird. Dabei werden Cryptochrome, eine Klasse photoaktiver Flavoproteine, als potentielle Kandidaten für das Radikalpaarmodell und damit als mögliches Magnetrezeptormolekül diskutiert. Verhaltensbiologische Experimente mit Zugvögeln zeigen, dass der Magnetrezeptionsprozess offensichtlich stark lateralisiert im rechten Auge stattfindet und dass dieser Prozess Licht aus dem blau-grünen Teil des Spektrums benötigt. Cryptochrome absorbieren Licht in diesem Bereich und besitzen darüber hinaus biochemische Eigenschaften, die für die Funktion des Radikalpaarmodells entscheidend sind. Vor dem Hintergrund dieser Überlegungen habe ich untersucht, ob Cryptochrom (CRY) in der Retina des Rotkehlchens, Erithacus rubecula, einem nachtziehenden Singvogel, zu finden ist. Mit molekulargenetischen Methoden konnte ich erstmals drei individuell exprimierte Cryptochrome aus der Rotkehlchenretina isolieren: Erithacus (e)-CRY1a, -CRY1b und -CRY2. Während eCRY1a und eCRY2 fast vollständig homolog zu Cryptochrom 1 und 2 in der Retina des Haushuhns sind, besitzt eCRY1b eine noch unbeschriebene C-terminale Domäne, die auf neue Proteinbindungseigenschaften und Interaktionspartner hindeutet. Die Identifizierung eines Kernlokalisierungssignals bei eCRY2 weist auf dessen Lokalisierung im Zellkern hin und macht seine Funktion als sensorischer Lichtrezeptor eher unwahrscheinlich. Ein mit Hilfe der Aminosäurensequenz erstelltes Proteinmodell von eCRY1 zeigt, dass dieser Typus zwei Cofaktoren besitzt: das katalytische Chromophor Flavinadenindinukleotid (FAD) und das lichtsammelnde Pterin Methenyltetrahydrofolat (MTHF). eCRY1a und eCRY1b sind Spleißprodukte des gleichen Gens; ihre C-terminalen Domänen sind auf unterschiedlichen Exonen codiert. eCRY1a und eCRY1b besitzen beide keine Membranbindedomäne und l
One of the currently discussed models of the mechanism underlying light-dependent magnetoreception in migratory birds proposes that the direction of the magnetic field is perceived by ‘radical-pair’ processes in specialized photoreceptors, with cryptochromes suggested as potential candidate molecules mediating magnetic compass information. Behavioural studies have shown that avian magnetic compass orientation is lateralized in the right eye and requires light from the blue-green part of the spectrum. Cryptochromes, a class of photoactive flavoproteins are known to absorb in the same spectral range. Furthermore, they possess biochemical properties crucial for the ‘radical-pair’ model, including the ability to form radical pairs. In view of these considerations I searched for cryptochrome (CRY) in the retina of European robins, Erithacus rubecula, passerine birds that migrate at night. With molecular genetic methods I was able to isolate three individually expressed cryptochromes, Erithacus (e)-CRY1a, -CRY1b, and -CRY2. While eCRY1a and eCRY2 are homologous to cryptochrome 1 and 2 found in domestic chicken retina, eCRY1b owns a unique carboxy (C)-terminal, suggesting novel protein properties and interaction partners. eCRY2 was found to be located in the nucleus, therefore its involvement as a sensory light receptor in magnetoreception is less likely. A protein model of eCRY1 reveals the catalytic chromophor flavin adenine dinucleotide (FAD) and a light-harvesting pterin in the form of methenyltetrahydrofolate (MTHF) as cofactors. Both eCRY1-types are splice products of the same gene with their C-terminal domains encoded on different exons. Also, eCRY1a and eCRY1b are both cytosolic; according to the ‘radical-pair’ model they therefore need at least one spherically fixed interaction partner in order to act as magnetoreceptor molecule. Here, opsins are discussed as potential partners because they are arranged in high order and constant spatial direction in the outer seg