Villigen，2026年6月25日 — 人类眼睛的视网膜含有600-700万个视锥细胞。这些细胞包含对光敏感的蛋白质，即所谓的视锥蛋白。它们使我们能够在日光下详细感知周围环境。在保罗谢勒研究所(PSI) Polina Isaikina领导的一项新研究中，研究人员首次确定了人类视锥蛋白在黑暗状态（即被光激活前）的三维分子结构。
视锥蛋白让我们看到成千上万种颜色：红色的草莓、绿色的叶子、蓝色的天空。此外，它们使我们能够清晰识别周围的所有物体。它们还使我们能够感知快速运动——例如火车的行驶或蜻蜓的飞行。这些就是视锥蛋白——我们视网膜中微小的光敏受体蛋白。然而，这些日光视觉的"全能选手"也常与视网膜疾病相关。由基因突变或其他退行性过程引起的视锥受体功能障碍可能导致色盲和年龄相关性黄斑变性(AMD)等疾病——一种影响中央视网膜并导致进行性视力丧失的疾病。
在一项新研究中，PSI生命科学中心的两位研究人员Polina Isaikina和Sarah L. Schmidt成功首次确定了人类视锥蛋白在黑暗状态下的三维结构，并展示了其分子结构如何使其能被光快速激活。这为人类视觉及其进化提供了重要的新见解，并为研究迄今难以治疗的眼部疾病开辟了新途径。该研究是与PSI、捷克极端光基础设施以及日本东京大学的同事合作进行的，现已发表在《科学》杂志上。
活跃的伙伴
视锥蛋白是存在于视锥细胞中的光感受器蛋白，这些细胞密集排列在中央凹区域。人类每个眼睛有600-700万个视锥细胞。它们的受体蛋白被光激活并触发信号级联反应，最终产生由大脑处理的电信号。由于这一过程进行得极其迅速，视锥蛋白使我们能够用眼睛追踪移动物体。然而，它们主要在日光下活跃，当光照强度高时。在光线不足的情况下，在黄昏和夜间，它们的进化上较年轻的亲戚——视杆细胞中的视杆蛋白——则承担这一任务。
人类的彩色视觉基于三种类型的视锥蛋白，它们各自对可见光谱的不同区域做出反应。L视锥对红光最敏感，M视锥对绿光敏感，S视锥对蓝光敏感。尽管只有三种视锥类型，但我们看到的世界远不止三种颜色，因为我们的色彩感知来自于它们重叠的光谱敏感性的相互作用。
视锥蛋白在被光激活前的三维结构及其异常快速反应的原因一直难以破译。这些受体非常动态，即使在黑暗中也会自发激活，这使得将它们分离到单一、明确定义的状态变得极为困难。
为避免意外激活，研究人员在实验室中仅在非常微弱的红光下工作，这些波长对视锥蛋白几乎不敏感。"为了确定这些受体在黑暗状态下的三维结构并理解它们的快速激活，我们必须克服巨大的技术障碍，"Polina Isaikina表示，"为此，我们必须结合多种先进技术，包括冷冻电子显微镜、超快激光光谱学、生化和细胞测试以及计算工具，使我们能够有针对性地优化这些受体并使其稳定以进行详细研究。"
努力得到了回报：研究团队现在首次展示了人类视锥蛋白的结构，特别是蓝光和绿光敏感变体在黑暗中非活性状态下的结构。虽然红光视锥蛋白未被直接研究，但其与绿光视锥蛋白的密切遗传相似性表明可能适用类似的分子原理。
分子的操作空间
要理解为什么视锥蛋白能将光脉冲瞬间转换为电信号，值得看看它们的结构组成。"每个视锥蛋白的中心是所谓的视黄醛，一种由维生素A形成的光敏分子，"该研究的第一作者、博士生Sarah L. Schmidt解释道。
当光照射到眼睛时，它将能量传递给视黄醛，使其改变形状。这反过来又触发了光感受器的激活和向大脑的电信号生成，大脑处理这些视觉信息。"我们的新结构和功能数据表明，视锥蛋白专为快速信号传输而设计，"Schmidt表示。它们的分子结构包括一个内部"微开关"网络，使它们能够与细胞内信号伙伴——转导G蛋白——连接。由于这种相互作用在静息状态下已经发生，一旦吸收光，信号传输可以极其快速地进行。这种分子准备状态解释了视锥蛋白如何实现日光视觉。
有助于视锥蛋白速度的另一个因素在于视黄醛结合位点的结构。例如，在绿光视锥蛋白中，这个结合袋在入口和出口处相对开放。因此，在光脉冲后，视黄醛可以快速交换，为下一个脉冲做准备。这种快速交换使大脑中的视觉信息能够快速更新。
然而，PSI研究人员还发现了另一点：蓝光敏感视蛋白的视黄醛结合袋更紧凑，并具有某种"关闭的门"，有效限制了视黄醛的运动。因此，需要更高能量的光刺激才能引起视黄醛配体的形状变化。蓝光自然携带比绿光或红光更多的能量，因此特别适合触发这种转变。相比之下，绿光敏感视蛋白中的视黄醛可以明显更自由地移动，因此受体已经可以对能量较低的绿光做出反应，甚至可以在没有光的情况下自发激活。
视锥蛋白作为治疗目标
这项研究的结果可能有助于更好地理解视锥细胞中光感受器丢失或功能不正常的眼部疾病。全球有数亿人受到各种形式的视力障碍影响。例如，约5%的世界人口患有色觉障碍，主要是男性。更严重的年龄相关性黄斑变性(AMD)形式可能导致中央视力丧失，并在晚期导致失明。"我们的新结果为视锥蛋白的功能提供了详细的分子和结构见解，"Polina Isaikina表示，"对这些机制的详细结构理解帮助我们识别这些疾病中哪里出了问题，以及针对性治疗可以从哪里入手。"
研究人员长期希望，他们的结果能推动开发专门针对视锥蛋白的药物，以稳定其功能并减缓视力丧失。该研究的新发现还为开发更精确的光遗传学治疗方法开辟了可能性，在这些方法中，光敏蛋白被修改以恢复或调节细胞信号过程。
关于PSI
保罗谢勒研究所(PSI)开发、建造和运营大型复杂研究设施，并向国家和国际研究界提供这些设施。自身研究重点是未来技术、能源和气候、健康创新和自然基础。培养年轻人是PSI的核心关切。因此，约四分之一的员工是博士后、博士生或学徒。PSI总共雇佣2300名员工，是瑞士最大的研究机构。年度预算约为4.5亿瑞士法郎。PSI是ETH领域的一部分，该领域还包括苏黎世联邦理工学院和洛桑联邦理工学院以及研究机构Eawag、Empa和WSL。
联系人
Dr. Polina Isaikina
PSI生命科学中心
保罗谢勒研究所(PSI)
+41 56 310 21 29
polina.isaikina@psi.ch
[英语]
Sarah L. Schmidt
PSI生命科学中心
保罗谢勒研究所(PSI)
+41 56 310 38 52
sarah.schmidt@psi.ch
[德语，英语]
原始出版物
揭示人类日光视觉的分子基础
Sarah L. Schmidt, Jakub Dostal, Saumik Sen, Andrej Hovan, Deborah Walter, Martin V. Appleby, Asato Kojima, Hideaki E. Kato, John H. Beale, Miroslav Kloz, Gebhard F. X. Schertler, Polina Isaikina
《科学》，2026年6月25日（在线）
DOI: 10.1126/science.adz3624
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