Science封面论文：南昌大学张进团队揭示人类看见彩色世界的分子机制

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

人类在白天的视觉依赖于三种称为视蛋白（Opsin）的视觉受体，它们存在于视网膜中央区域及其周围区域的视锥细胞中。这三种视蛋白分别对长、中、短波长的光敏感，大致对应红、绿、蓝三色；而视锥细胞功能的突变或其他缺陷可能导致视力障碍。尽管色觉的细胞生物学和生物化学已得到充分研究，但迄今为止，由于缺乏实验结构数据，视锥细胞视蛋白的光谱调谐及信号动力学的分子机制，仍存在局限。

2026 年 6 月 26 日，南昌大学/晶蛋生物张进教授团队联合柏林夏里特医学院Patrick Scheerer教授团队（南昌大学博士生彭琦、成心宇，赣南医科大学李健教授，南昌大学江海海博士为论文共同第一作者），在国际顶尖学术期刊Science上发表了题为：Cryo-electron microscopy structures of human cone visual pigments 的研究论文。

该研究报道了三种人类视锥细胞视蛋白——红敏视蛋白（LWS-opsin）、绿敏视蛋白（MWS-opsin）、蓝敏视蛋白（SWS-opsin），在结合 G 蛋白和全反式视黄醛的假定激活状态下的冷冻电镜结构，从而揭示了人类三色视觉的分子机制，有助于阐明色觉缺陷的分子基础以及视杆细胞与视锥细胞激活机制的关键差异。

值得一提的是，Science期刊同期发表了另外 2 篇相关研究论文——苏黎世联邦理工学院的研究团队解析了人类绿敏视蛋白（MWS-opsin）、蓝敏视蛋白（SWS-opsin）在暗态下的结构，揭示了这些视觉受体的重要细节，并为飞秒分辨率的光谱学研究提供了基础。名古屋工业大学的研究团队则针对具有与人类相似色觉的猕猴，对其红敏视蛋白（LWS-opsin）和绿敏视蛋白（MWS-opsin）的暗态进行了互补性的结构、光谱和计算研究。这三篇论文共同清晰地揭示了这三种视觉受体的特征，这些特征导致了不同的光谱特性、激活与失活动力学以及再循环过程。

人类在白天的彩色视觉依赖于三种称为视蛋白（Opsin）的感光蛋白，它们分别在视网膜的不同视锥细胞（Cone Cell）中表达。这三项研究确定了人类及非人灵长类动物视蛋白的结构，并进行了互补性的建模和生物化学实验，揭示了视觉色素吸收与激活动力学如何被调控的分子机制。该封面图片以万花筒的形式呈现，红色、绿色和蓝色的蛋白质分别代表对长波、中波和短波响应的视蛋白（及其 G 蛋白信号通路伙伴）。

人类的三色视觉依赖于含有长波（红光）、中波（绿光）和短波（蓝光）敏感视蛋白——

红敏视蛋白（LWS-opsin）、绿敏视蛋白（MWS-opsin）、蓝敏视蛋白（SWS-opsin）——的视锥细胞感光色素。相比之下，极低光照条件下的视觉则依赖于视杆细胞光色素——视紫红质。所有这些感光色素都共用一种源自维生素 A 的发色团——11-顺式视黄醛，它通过席夫碱键与每种视蛋白共价结合，形成具有特征性吸收峰的感光色素，其最大吸收波长分别约为 420 nm（LWS-opsin）、530 nm（MWS-opsin）、560 nm（LWS-opsin）和500 nm（视紫红质）。当吸收光子后，视黄醛异构化为具有激动作用的全反式构象，从而激活蛋白质，使其能够与 G 蛋白偶联，启动信号转导级联反应。

为阐明三种人类视锥蛋白——红敏视蛋白（LWS-opsin）、绿敏视蛋白（MWS-opsin）、蓝敏视蛋白（SWS-opsin）在激活状态下的结构，每种视蛋白均与异源三聚体 Gi 蛋白结合，并暴露于激动剂全反式视黄醛中。研究团队通过冷冻电镜（cryo-EM）解析了这些复合物的结构，其整体分辨率分别是——LWS-opsin-Gi 复合物为 3.35 Å，MWS-opsin-Gi 复合物为 2.48 Å，SWS-opsin-Gi 复合物为 2.61 Å。

激活的视锥细胞视蛋白-Gi 复合物的冷冻电镜结构揭示了不同的分子特征。尽管三种视蛋白与视紫红质一样，均共享保守的七次跨膜螺旋（TM1-TM7）结构，但 LWS-opsin 和 MWS-opsin 在激活态下可能利用 TM2 中的 E1022.53 作为希夫碱的抗衡离子。这与视紫红质（使用 ECL2 中的 E181ECL2 作为激活态抗衡离子）以及 SWS-opsin（使用 E178ECL2 作为激活态抗衡离子）均不同。

结构分析表明，SWS-opsin 在希夫碱周围具有极性的富丝氨酸环境，这有助于稳定活性态，并可能部分解释了 SWS-opsin 光谱吸收的蓝移现象。此外，SWS-opsin 在 TM2 与 TM7 之间含有一个额外的二硫键，这形成了结构约束，并在希夫碱附近扩展了水腔——这些特征在其他视觉视蛋白中未观察到。这些发现为视锥细胞视蛋白之间不同的静电稳定机制提供了结构层面的见解，这些机制对光谱调谐以及激活态的稳定性与衰减至关重要。多尺度模拟验证了激活态视锥细胞视蛋白冷冻电镜结构中观察到的视黄醛环境，并将其与光谱结果相关联。

冷冻电镜结构揭示了视锥细胞视蛋白稳定性和功能的关键结构决定因素，并对其作用机制提供了详细见解。这些结构为未来研究视锥细胞视蛋白的功能与动态变化奠定了基础，也为理解视杆细胞和视锥细胞光转导的分子机制提供了框架，同时初步揭示了许多视锥细胞疾病结构基础的相关信息。

论文链接：

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