Nature：重大突破！在果蠅大腦中發現一種新的視紫紅質

2017年5月13日/生物谷BIOON/---六種被稱作視紫紅質（rhodopsins）的生物色素在果蠅眼睛的光線感知中發揮著已被廣泛接受的作用。它們中的三種也在溫度感覺中發揮著不依賴光線的作用。如今，一項新的研究證實第七種視紫紅質，即Rh7，在果蠅大腦中表達，在那裡，它調節著果蠅的晝夜活動周期。相關研究結果於2017年5月10日在線發表在Nature期刊上，論文標題為「A rhodopsin in the brain functions in circadian photoentrainment in Drosophila」。

論文通信作者、美國加州大學聖塔芭芭拉分校分子、細胞與發育生物學系教授Craig Montell博士說，「Rh7是首個通過在大腦中央而不是在眼睛中表達來設置晝夜節律的視紫紅質。」這種新發現的Rh7作用可能在將來具有臨床意義。美國國家眼科研究所項目主任Lisa Neuhold博士說，「鑒定出視蛋白（opsin）的新作用是理解退行性視網膜疾病和開發潛在新的療法必不可少的。」

視紫紅質是在19世紀70年代發現的。眾所周知，它們在光線感知和圖像形成中發揮著重要的作用。六種已知的果蠅視紫紅質解釋了果蠅眼睛中的感光細胞的全部功能，因此儘管果蠅基因組含有第七種視紫紅質的基因序列，但是Rh7的作用是未知的。

為了研究Rh7的作用，Montell和來自美國加州大學歐文分校的合作者們通過開展利用Rh7替換Rh1的遺傳實驗首次證實Rh7發揮著感知光線的作用。Rh1是果蠅眼睛的感光細胞中的主要光感應器。他們發現正如視網膜電圖（electroretinogram）所測量的那樣，在缺乏Rh1的果蠅當中，Rh7能夠功能性地替換Rh1。視網膜電圖是在胞外記錄果蠅眼睛對光線作出反應而產生的神經信號。

接下來，這些研究人員利用識別Rh7的抗體確定它的表達模式。他們發現它是在大腦的中央起搏神經元（central pacemaker neuron）中表達的。這些中央起搏神經元在調節晝夜節律中發揮著作用。Montell和他的團隊培育出12小時光照周期/12小時黑暗周期的果蠅，隨後將12小時光照周期延長到20小時，並且測量了這些果蠅如何快地調整它們的每日活動來匹配這種新的光照/黑暗周期。通過測量這些果蠅如何頻繁地穿過位於小瓶中間的紅外光束，他們能夠追蹤每日的活動模式。他們證實相比於正常的野生果蠅，缺乏Rh7的果蠅花費顯著更長的時間來進行調整。他們也研究了半夜時照射破壞正常晝夜節律的光脈衝的影響，再次發現缺乏Rh7的果蠅花費更長的時間進行調整。

已知這些中央起搏神經元具有一種被稱作隱花色素（cryptochrome）的光感應器，但是經過基因改造缺乏隱花色素的果蠅調節光照/黑暗周期的能力僅部分受損。因此，這些研究人員猜測另一種分子可能參與其中，結果他們證實這個分子是Rh7，它的光敏感性要比隱花色素強。Montell解釋道，「它似乎表明Rh7提供一種更加靈敏的方法來檢測光線和設定晝夜節律。」

然而，還需開展更多的研究。大腦中的光感應器在果蠅中是有意義的，這是因為光線能夠穿過覆蓋果蠅頭部的角質層。但是視蛋白在哺乳動物大腦中發揮什麼作用？畢竟光線可能不會高效地穿過哺乳動物大腦中的顱骨。

Montell提出果蠅中央起搏神經元可能對應著哺乳動物眼睛中而不是哺乳動物大腦中的一種細胞類型。在哺乳動物眼睛中，視網膜神經節細胞（retinal ganglion cells, RGCs）通過視神經將來自感光的視桿和視錐的信號接力傳遞到大腦中。但是大約1%的RGCs是內在感光性的。這些內在感光性的RGCs（intrinsically photosensitive RGCs, ipRGCs）含有黑視蛋白（melanopsin, 另一種光敏色素），在圖像形成中不發揮作用，但是在調節晝夜節律中起著重要的作用。由於它們具有類似的功能和類似的分子特徵，Montell認為表達Rh7的果蠅中央起搏神經元等同於哺乳動物ipRGCs。然而，人們仍然並不清楚為何視蛋白也在哺乳動物大腦和脊髓中表達，在那裡，它們可能並不會接受到充足的光線，因而不會被光線激活。（生物谷 Bioon.com）

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原始出處：

Jinfei D. Ni, Lisa S. Baik, Todd C. Holmes et al.A rhodopsin in the brain functions in circadian photoentrainment in Drosophila.Nature, Published online 10 May 2017, doi:10.1038/nature22325

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