3篇《Science》+封面齐发！南昌大学张进等团队揭示眼睛如何看见五彩斑斓的世界

来源：iNature

人类之所以能在日光下分辨色彩、捕捉快速运动的物体，全靠视网膜中一类特殊的感光细胞——锥形光感受器。它们表达三种锥形视蛋白，分别对短波（蓝光）、中波（绿光）和长波（红光）敏感。一个令人好奇的问题是：这三种视蛋白共享完全相同的发色团（11-顺式视黄醛），却能感知不同波长的光，并在极高重复频率下产生快速信号响应——它们是如何做到的？

2026年6月25日，瑞士苏黎世联邦理工学院Polina Isaikina团队在Science在线发表题为“Illuminating the molecular basis of human daylight vision”的研究论文，该研究通过冷冻电镜技术，解析了人类蓝光敏感型和绿光敏感型锥形视蛋白在暗适应状态下的高分辨率结构，结合飞秒光谱学、功能实验和分子模拟，揭示了其中的精妙机制。

另外，名古屋工业大学Hideki Kandori团队在Science在线发表题为“Structural insights into spectral tuning and retinal exchange in cone visual pigments”的研究论文，该研究结合冷冻电镜技术与低温振动光谱以及量子力学和分子力学建模，报道了食蟹猴（Macaca fascicularis）中红色和绿色视锥色素的结构。红色与绿色光谱位移主要由第285位的丝氨酸决定，其羟基偶极子调控着共轭体系的静电效应，而空间位阻效应则较为微弱。该研究还发现视锥色素中含有面向膜的侧向开口，但未在非活性的视紫红质中观察到。与活性态结构的比较表明，该开口具有激活依赖性门控作用；突变及光谱分析进一步支持该开口在视网膜色素摄取和快速色素再生中的关键作用。

2026年6月25日，南昌大学张进及德国柏林夏里特医学院的Patrick Scheerer共同通讯在Science在线以封面的形式发表题为“Cryo–electron microscopy structures of human cone visual pigments”的研究论文。该研究系统回答了“人类如何感知色彩”这一基础科学问题，从视黄醛微环境角度阐明了光谱调谐的分子机制，揭示了视锥蛋白快速动力学的结构基础，为理解色盲等视觉疾病的分子根源提供了重要结构蓝图（）。

核心发现一：发色团环境的“调色”策略

结构显示，OPN1SW（蓝敏）的发色团结合口袋极性共轭体系环境更为受限，这使其最大吸收波长向蓝端偏移。与之形成鲜明对比的是，OPN1MW（绿敏）的发色团口袋中含有一个氯离子结合位点，该离子可调节波长敏感性并影响G蛋白信号传导的幅度。这两种截然不同的策略，使得共享同一发色团的视蛋白能够覆盖光谱的不同区域。

核心发现二：GPCR微开关的创新改造

锥形视蛋白属于A型G蛋白偶联受体家族。研究揭示了它们在经典GPCR微开关网络中的显著差异。OPN1SW用酪氨酸Y6.48取代了传统的切换开关，破坏了PIF三聚体，并缺乏高度保守的钠离子配位位点。这些变化使其倾向于一种“前激活”构象，能够更快地响应光子并启动信号级联。

此外，OPN1SW还利用一个位于细胞外环2上的色氨酸W185作为空间位阻开关，通过扩展的芳香族网络将视网膜异构化事件传递至多个螺旋结构，实现了高效的光信号转导。

锥形视蛋白通过不同的共轭色素稳定策略来调节光谱敏感性、激活动力学以及视网膜再生（图源自Science ）

核心发现三：快速信号终止的分子基础

锥形视蛋白的另一个关键特性是能够快速关闭信号，以适应高频视觉刺激。结构显示，两种受体均具有可及的发色团结合口袋，能够实现快速配体水解，促进视网膜的快速周转。飞秒瞬态吸收光谱进一步解析了光异构化级联反应，支持了“脱质子化后继发的水解限制了视蛋白信号持续时间”的模型。

这项研究的突破性在于，它首次在原子分辨率层面揭示了人类锥形视蛋白如何通过发色团环境的精细调谐和GPCR微开关的创新改造，实现光谱敏感性和快速动力学的完美统一，为理解人类昼光视觉的分子基础提供了关键见解。

参考消息：

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

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

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

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