人眼如何分清红绿灯？《科学》连发3篇论文揭开秘密

人类视觉系统如何精准分辨色彩？人眼最新一期《科学》（Science）杂志连续发表三篇论文，从原子层面揭示了这一生理奇迹背后的何分分子机制。研究证实，清红人眼对色彩的绿灯连敏锐感知，深藏于视网膜中三种感光蛋白的科学开秘立体结构差异之中。

本次研究由来自全球三个独立顶尖团队联合完成，篇论分别包括南昌大学与德国柏林夏里特医学院团队、文揭瑞士苏黎世联邦理工学院团队以及日本名古屋工业大学团队。人眼他们同步解析了三种关键视蛋白的何分高分辨率结构，填补了视觉生物学领域的清红关键空白。

视觉基础：三种视锥细胞与感光蛋白

我们在生物学常识中得知，绿灯连人类之所以能识别红、科学开秘绿、篇论蓝三原色，文揭依赖于视网膜上的人眼三种视锥细胞。每种细胞含有一种特定的感光蛋白，分别对长波（红）、中波（绿）和短波（蓝）光具有特异性敏感度。

尽管这三种视蛋白共享同一个发色团——11-顺式视黄醛（11-cis retinal），且氨基酸序列高度相似（红绿视蛋白间仅存在数个氨基酸差异），但它们的光谱吸收峰值却相差三四十纳米。正是这种微小的序列差异，构建了覆盖全光谱的色彩感知网络，使人眼能够区分万千色彩。

此次三篇论文的核心突破，在于从结构生物学角度回答了关键问题：这些微小的氨基酸差异，究竟是如何通过分子机制转化为巨大的光谱响应差异的？

图 | 三篇论文（来源：Science）

研究团队通过冷冻电镜技术，从不同维度解析了视蛋白的结构状态：
1. 暗态结构：解析了绿色和蓝色视蛋白在静息状态下的精细结构。
2. 跨物种对比：解析了猕猴的红绿视蛋白，证实灵长类动物的色觉机制与人类高度一致。
3. 激活态全景：首次完整呈现了三种人类视蛋白在光激活状态下的结构，显示它们均与G蛋白及全反式视黄醛结合。

分子机制：静电效应与结构开关

论文指出，G蛋白是视觉信号传导的“启动器”，而视黄醛则是光激活后的发色团形态。只有对比三种视蛋白在激活状态下的结构，才能厘清信号传导的具体异同。

1. 红绿视蛋白：静电效应主导调色

通过结构比对，研究人员发现红绿视蛋白的光谱差异主要源于单个氨基酸的替换。在红色视蛋白中，特定位置存在一个带有羟基的苏氨酸（Threonine）。该羟基通过改变发色团周围的电场环境，引起光谱偏移。

研究团队结合量子力学与分子力学混合模型计算证实，这种静电效应是调控光谱敏感度的主导因素。通过改变发色团周围的电荷环境，蛋白质实现了精准的“调色”。

（来源：Science）

2. 蓝色视蛋白：独特的稳定机制与信号通路

蓝色视蛋白（S-opsin）采取了截然不同的进化策略：
* 极性环境稳定：其发色团周围环绕着一圈丝氨酸，形成极性环境，不仅稳定了发色团，还导致光谱发生蓝移。
* 结构加固：拥有额外的二硫键，连接第二和第七个跨膜螺旋，增强了结构稳定性，使其显著区别于红绿视蛋白。
* 特殊信号传导：利用色氨酸和酪氨酸构建扩展的芳香族网络，将发色团的异构化信号传递至整个蛋白。相比之下，红绿视蛋白则依赖经典的GPCR（G蛋白偶联受体）微开关进行信号传导。

明暗视觉差异：侧向开口与快速响应

视蛋白（负责明视觉）与杆细胞中的视紫红质（负责暗视觉）在结构上存在显著区别，这解释了为何前者能在强光下快速响应，而后者对单光子敏感但恢复缓慢。

• 结合口袋开放性：视蛋白的发色团结合口袋更加开放，允许视黄醛快速进出。而视紫红质的发色团被牢牢锁定，构象变化导致其释放和重新结合速度较慢。
• 侧向开口发现：冷冻电镜揭示了一个此前未被注意到的特征——视蛋白膜内侧存在一个侧向开口，而在视紫红质中该通道处于关闭状态。
• 视紫红质：依赖蛋白整体构象变化完成发色团的结合与解离，速度慢。
• 视蛋白：借助侧向开口，可在强光下快速更新发色团，维持持续的感光能力。
• 稳定性差异：视蛋白的非活化状态不如视紫红质稳定，这使其能更快切换至激活状态，并迅速回到基态准备下一次响应，适应明视觉的高频需求。

（来源：Science）

临床意义与进化启示

1. 色觉缺陷的分子诊断

这些高分辨率结构数据为理解色觉缺陷提供了原子尺度的依据：
* 红绿色盲：绝大多数由红绿视蛋白基因重组导致的功能异常。结构解析可精准识别哪些突变破坏功能，哪些为无害变异。
* 蓝色盲：罕见蓝视蛋白突变导致的色盲，也获得了明确的结构解释。

2. 进化路线：自然界的微调艺术

结构数据揭示了三种视蛋白的进化轨迹：
* 短波视蛋白（蓝）：最为古老，保留了更多祖先特征，发色团环境受限。
* 红绿视蛋白：由基因重复演化而来，进行了更多功能优化。例如，在发色团结合口袋中出现了氯离子结合位点，可调节波长敏感性和G蛋白信号强度。

这表明，大自然利用同一种分子零件，通过微调结构实现了三种不同功能的版本，展现了极高的进化效率与精度。

（来源：Science）

3. 药物设计的新靶点

视蛋白属于G蛋白偶联受体（GPCR）家族，这是制药领域最重要的药物靶点之一，全球约三分之一的上市药物作用于此类受体。
* 光控药物潜力：视蛋白以光为配体，调控机制极其精确。这些结构信息有助于设计光控药物，通过光照开关特定受体的活性。目前，此类光遗传学技术已在神经科学领域取得初步应用。

结语

颜色是我们感知世界的基础，而这一能力建立在看不见的分子结构之上。视蛋白中微小的原子级差异，最终汇聚成我们眼中五彩斑斓的世界。这些三维结构数据的解析，不仅揭示了色觉的生物学基础，也为眼科疾病治疗、进化生物学研究以及新型药物开发打开了全新的大门。

参考资料：

• https://www.science.org/doi/10.1126/science.adz3996
• https://www.science.org/doi/10.1126/science.adz8141
• https://www.science.org/doi/10.1126/science.adz3624

排版：刘雅坤

注：封面/首图由 AI 辅助生成

(责任编辑：探索)