撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

人類在白天的視覺依賴于三種稱為視蛋白（Opsin）的視覺受體，它們存在于視網膜中央區域及其周圍區域的視錐細胞中。這三種視蛋白分別對長、中、短波長的光敏感，大致對應紅、綠、藍三色；而視錐細胞功能的突變或其他缺陷可能導致視力障礙。盡管色覺的細胞生物學和生物化學已得到充分研究，但迄今為止，由于缺乏實驗結構數據，視錐細胞視蛋白的光譜調諧及信號動力學的分子機制，仍存在局限。

2026 年 6 月 26 日，南昌大學/晶蛋生物張進教授團隊聯合柏林夏里特醫學院Patrick Scheerer教授團隊（南昌大學博士生彭琦、成心宇，贛南醫科大學李健教授，南昌大學江海海博士為論文共同第一作者），在國際頂尖學術期刊Science上發表了題為：Cryo-electron microscopy structures of human cone visual pigments 的研究論文。

該研究報道了三種人類視錐細胞視蛋白——紅敏視蛋白（LWS-opsin）、綠敏視蛋白（MWS-opsin）、藍敏視蛋白（SWS-opsin），在結合 G 蛋白和全反式視黃醛的假定激活狀態下的冷凍電鏡結構，從而揭示了人類三色視覺的分子機制，有助于闡明色覺缺陷的分子基礎以及視桿細胞與視錐細胞激活機制的關鍵差異。

值得一提的是，Science期刊同期發表了另外 2 篇相關研究論文——蘇黎世聯邦理工學院的研究團隊解析了人類綠敏視蛋白（MWS-opsin）、藍敏視蛋白（SWS-opsin）在暗態下的結構，揭示了這些視覺受體的重要細節，并為飛秒分辨率的光譜學研究提供了基礎。名古屋工業大學的研究團隊則針對具有與人類相似色覺的獼猴，對其紅敏視蛋白（LWS-opsin）和綠敏視蛋白（MWS-opsin）的暗態進行了互補性的結構、光譜和計算研究。這三篇論文共同清晰地揭示了這三種視覺受體的特征，這些特征導致了不同的光譜特性、激活與失活動力學以及再循環過程。

人類在白天的彩色視覺依賴于三種稱為視蛋白（Opsin）的感光蛋白，它們分別在視網膜的不同視錐細胞（Cone Cell）中表達。這三項研究確定了人類及非人靈長類動物視蛋白的結構，并進行了互補性的建模和生物化學實驗，揭示了視覺色素吸收與激活動力學如何被調控的分子機制。該封面圖片以萬花筒的形式呈現，紅色、綠色和藍色的蛋白質分別代表對長波、中波和短波響應的視蛋白（及其 G 蛋白信號通路伙伴）。

人類的三色視覺依賴于含有長波（紅光）、中波（綠光）和短波（藍光）敏感視蛋白——

紅敏視蛋白（LWS-opsin）、綠敏視蛋白（MWS-opsin）、藍敏視蛋白（SWS-opsin）——的視錐細胞感光色素。相比之下，極低光照條件下的視覺則依賴于視桿細胞光色素——視紫紅質。所有這些感光色素都共用一種源自維生素 A 的發色團——11-順式視黃醛，它通過席夫堿鍵與每種視蛋白共價結合，形成具有特征性吸收峰的感光色素，其最大吸收波長分別約為 420 nm（LWS-opsin）、530 nm（MWS-opsin）、560 nm（LWS-opsin）和500 nm（視紫紅質）。當吸收光子后，視黃醛異構化為具有激動作用的全反式構象，從而激活蛋白質，使其能夠與 G 蛋白偶聯，啟動信號轉導級聯反應。

為闡明三種人類視錐蛋白——紅敏視蛋白（LWS-opsin）、綠敏視蛋白（MWS-opsin）、藍敏視蛋白（SWS-opsin）在激活狀態下的結構，每種視蛋白均與異源三聚體 Gi 蛋白結合，并暴露于激動劑全反式視黃醛中。研究團隊通過冷凍電鏡（cryo-EM）解析了這些復合物的結構，其整體分辨率分別是——LWS-opsin-Gi 復合物為 3.35 ?，MWS-opsin-Gi 復合物為 2.48 ?，SWS-opsin-Gi 復合物為 2.61 ?。

激活的視錐細胞視蛋白-Gi 復合物的冷凍電鏡結構揭示了不同的分子特征。盡管三種視蛋白與視紫紅質一樣，均共享保守的七次跨膜螺旋（TM1-TM7）結構，但 LWS-opsin 和 MWS-opsin 在激活態下可能利用 TM2 中的 E1022.53 作為希夫堿的抗衡離子。這與視紫紅質（使用 ECL2 中的 E181ECL2 作為激活態抗衡離子）以及 SWS-opsin（使用 E178ECL2 作為激活態抗衡離子）均不同。

結構分析表明，SWS-opsin 在希夫堿周圍具有極性的富絲氨酸環境，這有助于穩定活性態，并可能部分解釋了 SWS-opsin 光譜吸收的藍移現象。此外，SWS-opsin 在 TM2 與 TM7 之間含有一個額外的二硫鍵，這形成了結構約束，并在希夫堿附近擴展了水腔——這些特征在其他視覺視蛋白中未觀察到。這些發現為視錐細胞視蛋白之間不同的靜電穩定機制提供了結構層面的見解，這些機制對光譜調諧以及激活態的穩定性與衰減至關重要。多尺度模擬驗證了激活態視錐細胞視蛋白冷凍電鏡結構中觀察到的視黃醛環境，并將其與光譜結果相關聯。

冷凍電鏡結構揭示了視錐細胞視蛋白穩定性和功能的關鍵結構決定因素，并對其作用機制提供了詳細見解。這些結構為未來研究視錐細胞視蛋白的功能與動態變化奠定了基礎，也為理解視桿細胞和視錐細胞光轉導的分子機制提供了框架，同時初步揭示了許多視錐細胞疾病結構基礎的相關信息。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adz8141

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adz3624

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adz3996