视蛋白

名词

视蛋白大致包含两个可能不同来源的蛋白质家族，一节结构差异极大，三级结构上可能由于趋同进化的原因十分相像，都是一类7次跨膜结构。其中，公众最为熟悉的视蛋白是视觉系统中的几种视觉视蛋白，它们还有几种同源非视觉视蛋白，广泛分布在身体的各个部位以及视觉系统中，其中除Opsin4同生物节律调节的关系较为清楚外，其余几种非视觉视蛋白的具体功能仍在研究中。细菌中也有一种视蛋白，因为同动物视蛋白三维结构类似也被称为视蛋白(opsin)，没有视觉功能但可以感光，可能同动物视蛋白源自不同的祖先，只是由于趋同进化拥有了类似的三级结构。

简介

视蛋白，是一种膜蛋白，分子量约为30~50kDa。它包括1个胞外氨基末端、7个跨膜区和1个胞内羧基末端，属于G蛋白偶联受体(Gprotein-coupledreceptor，GPCR)超家族。视蛋白广泛分布于动物和微生物中，古菌、细菌、真菌等非动物视蛋白与动物视蛋白具有相似的三维结构，但它们在氨基酸序列上明显不同。有研究证实，动物视蛋白种类多，分布广，具有视觉感光和调节生物昼夜节律、参与瞳孔对光反射等一些非视觉功能。

分类

自从发现第一个视蛋白——牛视紫红质以来，动物视蛋白的种类已达到数千种，组成了一个庞大视蛋白家族。如果根据是否直接参与视觉成像，视蛋白大体上可以分为两类：视觉系统中的视蛋白(visualopsin)和非视觉系统中的视蛋白(non-visualopsin)；若根据分子进化分析和功能不同(部分依据G蛋白与其偶联的受体类型的不同)，视蛋白家族又可分为7个亚家族：脊椎动物视觉和非视觉视蛋白亚家族、encephalopsin/tmt-opsin亚家族、Gq偶联视蛋白/melanopsin亚家族、Go偶联视蛋白亚家族、neuropsin亚家族、peropsin亚家族和视黄醛光异构酶(retinalphotoisomerase)亚家族。研究发现，在漫长的生物进化过程中，同一亚家族视蛋白，在不同脊椎动物间保持着较高的同源性，氨基酸相似性一般大于75%；不同亚家族的视蛋白，在同一物种间的氨基酸相似性仅仅25%~40%；而不同亚家族的视蛋白，在不同物种间的氨基酸相似性则低于25%。

分布和功能

过去，人们一直认为视蛋白主要分布在视网膜等视觉组织，其功能主要是与生色团(chromophore)组成视色素，作为动物体内的光感受器，参与动物对外界环境的光适应。但随着视蛋白研究的不断扩大和深入，发现有些视蛋白还可以分布于视网膜外的多个部位，其功能也不仅仅是视觉感光。这些重要的研究结果使人们对视蛋白的功能不得不重新审视，因此有关视网膜外的非视觉视蛋白的功能研究也就成为了当前的热点。

一般来说，脊椎动物视网膜上存在2种感光细胞：视杆细胞和视锥细胞。视杆细胞中的视蛋白为视紫红质(rhodopsin，Rh)，与暗视觉相关；而视锥细胞中有视锥蛋白，与明视觉相关。按照吸收光谱范围的不同，视锥蛋白又可以进一步分为长波敏感视蛋白(long-wavelength-sensitiveopsin，LW)、中波敏感视蛋白(middle-wave-length-sensitiveopsin，MW)和短波敏感视蛋白(short-wavelength-sensitiveopsin，SW)，而后者还可以分为SW1和SW2。大部分脊椎动物的视网膜上均含有上述4种视锥蛋白，但在多数哺乳类动物中，尚未发现SW2和MW视蛋白。脊椎动物视觉视蛋白包括有视紫红质和视锥蛋白，两者均与11-顺视黄醛(11-cis-retinal)相结合形成视色素。当外源光线刺激感光细胞时，视色素中11-顺视黄醛在光的诱导下变构为全反式视黄醛(all-trans-retinal)，并与视蛋白分离；随后，视蛋白激活相偶联G蛋白，经过胞内的磷酸化级联反应，进而活化cGMP磷酸二酯酶，使细胞内的cGMP浓度降低，从而导致cGMP门控Na离子通道的关闭，感光细胞发生超极化，形成超极化的感受器电位，经传导到大脑后产生视觉。一些低等脊椎动物的视蛋白与脊椎动物的视觉视蛋白，在进化上分析虽属同一亚家族，但是这些视蛋白并不表达于视杆细胞和视锥细胞中，也不参与视觉感光系统，故称之为“非视觉视蛋白”。Pinopsin是第一个被发现的非视觉视蛋白，它表达于鸡、蜥蜴的松果体内，可能通过激活转导蛋白(transducin)和G蛋白G11两个不同的光传导酶联反应，参与对外界环境的感光作用[2，3]。研究者还在鱼、爪蟾及七鳃鳗的松果眼中，发现了一种对紫外光敏感的非视觉视蛋白，命名为“parapinopsin”。在对七鳃鳗研究中发现，parapinopsin主要位于松果眼的上部或背部区域，可能与此处接受光线最多有关；它能够影响七鳃鳗的生物节律，这与高等动物体内的松果体具有相似的作用。

临床意义

视蛋白是眼部感知光线的第一站，它通过与其耦联的G蛋白及磷酸化级联反应将光信号放大并通过一系列信号传导途径将信息传递至大脑。每种视蛋白均有其特定的光谱敏感峰值及范围，其对于外界光线不同程度的兴奋，形成了人体规则的24小时昼夜节律及眼前五彩缤纷的世界等。视蛋白的基因突变、结构功能异常均可引起严重的视觉障碍、体内生物钟紊乱等。

(一)视网膜色素变性

视网膜色素变性(retinitispigmentosa，RP)是一类以进行性视网膜感光细胞和RPE细胞功能丧失为表现的遗传性疾病。临床上以夜盲及进行性视野缺损为特征，是一组尚缺乏有效治疗方法的致盲性疾病。

(二)色觉异常

早在19世纪就有人提出三色理论，认为视网膜上有三种对红、绿、蓝敏感的神经通路，对光谱中某一波长的可见光，三条通路不同程度的兴奋水平，将信号传入大脑，从而产生相应的色觉。后人通过显微分光光度法、眼底反射分光光度法和超微电极法等研究也证实了这一理论。而与此相应的正是感光细胞中的L型、M型以及S型视蛋白，它们的异常即分别对应于红色觉、绿色觉和蓝色觉的异常。

(三)其他

对于非视觉系统视蛋白的进一步研究发现，黑素视蛋白在人体昼夜节律和瞳孔对光反射方面发挥着至关重要的作用，人体的每一生理功能均表现出高度精密和稳定的昼夜节律性，生物钟的“失灵”，亦可为机体带来疾病。对于黑素视蛋白的进一步研究也对传统意义上的“盲眼”提出了异议，让人们对于眼球摘除手术的实施更为慎重。

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