[科普中國]-視蛋白

視蛋白是感光物質(zhì)的主要組成部分，包括視覺系統(tǒng)中的視蛋白和非視覺系統(tǒng)中的視蛋白兩大類，在視覺成像和生物鐘晝夜節(jié)律同步調(diào)節(jié)方面起著至關(guān)重要的作用。

簡介視蛋白，是一種膜蛋白，分子量約為30~50kDa。它包括1個胞外氨基末端、7個跨膜區(qū)和1個胞內(nèi)羧基末端，屬于G蛋白偶聯(lián)受體(Gprotein-coupledreceptor，GPCR)超家族。視蛋白廣泛分布于動物和微生物中，古菌、細菌、真菌等非動物視蛋白與動物視蛋白具有相似的三維結(jié)構(gòu)，但它們在氨基酸序列上明顯不同。有研究證實，動物視蛋白種類多，分布廣，具有視覺感光和調(diào)節(jié)生物晝夜節(jié)律、參與瞳孔對光反射等一些非視覺功能。

分類自從發(fā)現(xiàn)第一個視蛋白——牛視紫紅質(zhì)以來，動物視蛋白的種類已達到數(shù)千種，組成了一個龐大視蛋白家族。如果根據(jù)是否直接參與視覺成像，視蛋白大體上可以分為兩類：視覺系統(tǒng)中的視蛋白(visualopsin)和非視覺系統(tǒng)中的視蛋白(non-visualopsin)；若根據(jù)分子進化分析和功能不同(部分依據(jù)G蛋白與其偶聯(lián)的受體類型的不同)，視蛋白家族又可分為7個亞家族：脊椎動物視覺和非視覺視蛋白亞家族、encephalopsin/tmt-opsin亞家族、Gq偶聯(lián)視蛋白/melanopsin亞家族、Go偶聯(lián)視蛋白亞家族、neuropsin亞家族、peropsin亞家族和視黃醛光異構(gòu)酶(retinalphotoisomerase)亞家族。研究發(fā)現(xiàn)，在漫長的生物進化過程中，同一亞家族視蛋白，在不同脊椎動物間保持著較高的同源性，氨基酸相似性一般大于75%；不同亞家族的視蛋白，在同一物種間的氨基酸相似性僅僅25%~40%；而不同亞家族的視蛋白，在不同物種間的氨基酸相似性則低于25%。

分布和功能過去，人們一直認(rèn)為視蛋白主要分布在視網(wǎng)膜等視覺組織，其功能主要是與生色團(chromophore)組成視色素，作為動物體內(nèi)的光感受器，參與動物對外界環(huán)境的光適應(yīng)。但隨著視蛋白研究的不斷擴大和深入，發(fā)現(xiàn)有些視蛋白還可以分布于視網(wǎng)膜外的多個部位，其功能也不僅僅是視覺感光。這些重要的研究結(jié)果使人們對視蛋白的功能不得不重新審視，因此有關(guān)視網(wǎng)膜外的非視覺視蛋白的功能研究也就成為了當(dāng)前的熱點。

一般來說，脊椎動物視網(wǎng)膜上存在2種感光細胞：視桿細胞和視錐細胞。視桿細胞中的視蛋白為視紫紅質(zhì)(rhodopsin，Rh)，與暗視覺相關(guān)；而視錐細胞中有視錐蛋白，與明視覺相關(guān)。按照吸收光譜范圍的不同，視錐蛋白又可以進一步分為長波敏感視蛋白(long-wavelength-sensitiveopsin，LW)、中波敏感視蛋白(middle-wave-length-sensitiveopsin，MW)和短波敏感視蛋白(short-wavelength-sensitiveopsin，SW)，而后者還可以分為SW1和SW2。大部分脊椎動物的視網(wǎng)膜上均含有上述4種視錐蛋白，但在多數(shù)哺乳類動物中，尚未發(fā)現(xiàn)SW2和MW視蛋白。脊椎動物視覺視蛋白包括有視紫紅質(zhì)和視錐蛋白，兩者均與11-順視黃醛(11-cis-retinal)相結(jié)合形成視色素。當(dāng)外源光線刺激感光細胞時，視色素中11-順視黃醛在光的誘導(dǎo)下變構(gòu)為全反式視黃醛(all-trans-retinal)，并與視蛋白分離；隨后，視蛋白激活相偶聯(lián)G蛋白，經(jīng)過胞內(nèi)的磷酸化級聯(lián)反應(yīng)，進而活化cGMP磷酸二酯酶，使細胞內(nèi)的cGMP濃度降低，從而導(dǎo)致cGMP門控Na離子通道的關(guān)閉，感光細胞發(fā)生超極化，形成超極化的感受器電位，經(jīng)傳導(dǎo)到大腦后產(chǎn)生視覺。一些低等脊椎動物的視蛋白與脊椎動物的視覺視蛋白，在進化上分析雖屬同一亞家族，但是這些視蛋白并不表達于視桿細胞和視錐細胞中，也不參與視覺感光系統(tǒng)，故稱之為“非視覺視蛋白”。Pinopsin是第一個被發(fā)現(xiàn)的非視覺視蛋白，它表達于雞、蜥蜴的松果體內(nèi)，可能通過激活轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白(transducin)和G蛋白G11兩個不同的光傳導(dǎo)酶聯(lián)反應(yīng)，參與對外界環(huán)境的感光作用[2，3]。研究者還在魚、爪蟾及七鰓鰻的松果眼中，發(fā)現(xiàn)了一種對紫外光敏感的非視覺視蛋白，命名為“parapinopsin”。在對七鰓鰻研究中發(fā)現(xiàn)，parapinopsin主要位于松果眼的上部或背部區(qū)域，可能與此處接受光線最多有關(guān)；它能夠影響七鰓鰻的生物節(jié)律，這與高等動物體內(nèi)的松果體具有相似的作用。

臨床意義視蛋白是眼部感知光線的第一站，它通過與其耦聯(lián)的G蛋白及磷酸化級聯(lián)反應(yīng)將光信號放大并通過一系列信號傳導(dǎo)途徑將信息傳遞至大腦。每種視蛋白均有其特定的光譜敏感峰值及范圍，其對于外界光線不同程度的興奮，形成了人體規(guī)則的24小時晝夜節(jié)律及眼前五彩繽紛的世界等。視蛋白的基因突變、結(jié)構(gòu)功能異常均可引起嚴(yán)重的視覺障礙、體內(nèi)生物鐘紊亂等。

(一)視網(wǎng)膜色素變性

視網(wǎng)膜色素變性(retinitispigmentosa，RP)是一類以進行性視網(wǎng)膜感光細胞和RPE細胞功能喪失為表現(xiàn)的遺傳性疾病。臨床上以夜盲及進行性視野缺損為特征，是一組尚缺乏有效治療方法的致盲性疾病。

(二)色覺異常

早在19世紀(jì)就有人提出三色理論，認(rèn)為視網(wǎng)膜上有三種對紅、綠、藍敏感的神經(jīng)通路，對光譜中某一波長的可見光，三條通路不同程度的興奮水平，將信號傳入大腦，從而產(chǎn)生相應(yīng)的色覺。后人通過顯微分光光度法、眼底反射分光光度法和超微電極法等研究也證實了這一理論。而與此相應(yīng)的正是感光細胞中的L型、M型以及S型視蛋白，它們的異常即分別對應(yīng)于紅色覺、綠色覺和藍色覺的異常。

(三)其他

對于非視覺系統(tǒng)視蛋白的進一步研究發(fā)現(xiàn)，黑素視蛋白在人體晝夜節(jié)律和瞳孔對光反射方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，人體的每一生理功能均表現(xiàn)出高度精密和穩(wěn)定的晝夜節(jié)律性，生物鐘的“失靈”，亦可為機體帶來疾病。對于黑素視蛋白的進一步研究也對傳統(tǒng)意義上的“盲眼”提出了異議，讓人們對于眼球摘除手術(shù)的實施更為慎重1。

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

湯壽旎 - 副教授 - 武漢理工大學(xué)