2026年6月26日，南昌大學(xué)張進(jìn)團隊與柏林夏里特醫(yī)學(xué)院Patrick Scheerer團隊合作在《科學(xué)》雜志上發(fā)表題為“Cryo-electron microscopy structures of human cone visual pigments”的研究論文，他們利用冷凍電鏡技術(shù)解析了人眼中負(fù)責(zé)紅綠藍(lán)三色視覺的長波長、中波長和短波長敏感視錐視蛋白與G蛋白復(fù)合物的激活態(tài)結(jié)構(gòu)。南昌大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院博士生彭琦和成心宇，贛南醫(yī)科大學(xué)李健教授，南昌大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院江海海老師為本文的共同第一作者。南昌大學(xué)張進(jìn)教授和德國柏林夏里特醫(yī)學(xué)院的Patrick Scheerer教授是本文的通訊作者。

研究團隊通過引入組成性激活突變并在樣品制備全程添加全反式視黃醛，成功穩(wěn)定了三種視蛋白與G蛋白復(fù)合物的激活態(tài)構(gòu)象。他們發(fā)現(xiàn)這三種視錐視蛋白雖然整體折疊方式與視桿細(xì)胞中的視紫紅質(zhì)相似，都采用七次跨膜螺旋結(jié)構(gòu)，但在視黃醛結(jié)合口袋周圍的關(guān)鍵殘基上存在顯著差異。在視紫紅質(zhì)中，激活態(tài)下的質(zhì)子化席夫堿基主要依靠胞外環(huán)區(qū)第二環(huán)上的谷氨酸殘基E181作為抗衡離子來穩(wěn)定，這一機制在短波長敏感視蛋白中被保留了下來，由對應(yīng)的E178發(fā)揮相似功能。長波長和中波長敏感視蛋白的情況則完全不同，它們在第二環(huán)上失去了這個谷氨酸，取而代之的是能夠結(jié)合氯離子的組氨酸殘基H197，研究團隊在激活態(tài)結(jié)構(gòu)中沒有在H197附近找到氯離子。

在長波長和中波長視蛋白的激活態(tài)結(jié)構(gòu)中，研究團隊發(fā)現(xiàn)跨膜螺旋2上的谷氨酸殘基E102距離席夫堿基非常近，這處殘基在視紫紅質(zhì)和短波長視蛋白中分別被甲硫氨酸和亮氨酸占據(jù)，他們認(rèn)為E102很可能在激活態(tài)中作為新的抗衡離子發(fā)揮關(guān)鍵作用，從跨膜螺旋2區(qū)域為質(zhì)子化的席夫堿基提供靜電穩(wěn)定。針對短波長敏感視蛋白，研究團隊觀察到其席夫堿基周圍環(huán)繞著四個絲氨酸殘基，這些絲氨酸形成了一個極性環(huán)境并構(gòu)成了獨特的“絲氨酸環(huán)”，這種特征在其他兩類視錐視蛋白和視紫紅質(zhì)中都沒有出現(xiàn)，他們認(rèn)為這個極性環(huán)境既有助于穩(wěn)定激活態(tài)構(gòu)象，也可能對吸收光譜的藍(lán)移現(xiàn)象有所貢獻(xiàn)。短波長視蛋白還有一個獨有的結(jié)構(gòu)特征，即跨膜螺旋2和螺旋7之間形成了一對額外的二硫鍵C84-C296，這對二硫鍵在螺旋2上引入了一個由連續(xù)兩個甘氨酸殘基G79和G80造成的扭結(jié)，并使螺旋2和螺旋7在激活態(tài)受到額外的構(gòu)象約束，這個結(jié)構(gòu)約束在跨膜螺旋2附近形成了一個比其他視蛋白都要大得多的連續(xù)水腔，從席夫堿基一直延伸到胞內(nèi)區(qū)域，這可能在短波長視蛋白特有的快速失活動力學(xué)中扮演重要角色。

在激活態(tài)構(gòu)象變化方面，三種視錐視蛋白與視紫紅質(zhì)表現(xiàn)出相似的活化機制，從胞內(nèi)一側(cè)觀察時跨膜螺旋5和螺旋6發(fā)生明顯外移，螺旋5朝向胞質(zhì)一側(cè)的末端有延伸，螺旋6向外位移約10到11埃，同時跨膜螺旋3和螺旋6之間的離子鎖被破壞，跨膜螺旋3上的精氨酸R151或R132轉(zhuǎn)而與跨膜螺旋5上的酪氨酸Y239或Y220形成新的氫鍵相互作用，從而穩(wěn)定激活態(tài)的構(gòu)象。值得注意的是，視紫紅質(zhì)激活態(tài)中穩(wěn)定全反式視黃醛的β-紫羅蘭酮環(huán)的氫鍵網(wǎng)絡(luò)E122-H211-W126在這三種視錐視蛋白中都被非極性的氨基酸殘基替代了，研究團隊認(rèn)為這個缺失使得視錐視蛋白的激活態(tài)穩(wěn)定性大幅下降，壽命顯著縮短，這與視錐細(xì)胞比視桿細(xì)胞快一到兩個數(shù)量級的動力學(xué)響應(yīng)在分子層面是完全吻合的。

在G蛋白偶聯(lián)界面上，三種視錐視蛋白采用了與視紫紅質(zhì)高度保守的結(jié)合模式，G蛋白α亞基的C末端螺旋插入視蛋白胞內(nèi)一側(cè)的裂隙中，關(guān)鍵的相互作用殘基包括R3.50、V3.53、K3.56以及ICL2和ICL3上的多個殘基都在三類視蛋白中得以保留，這與視錐細(xì)胞和視桿細(xì)胞都激活相同的G蛋白轉(zhuǎn)導(dǎo)素這一生理事實是一致的。研究團隊還通過定點突變實驗驗證了光譜調(diào)諧的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)位點，他們將長波長視蛋白中的Y277替換為苯丙氨酸后吸收峰藍(lán)移了10納米至548納米，而將中波長視蛋白的A285替換為蘇氨酸后吸收峰紅移了12納米至542納米，這些突變實驗與結(jié)構(gòu)觀察高度一致。他們將多種與先天性紅綠色盲、藍(lán)錐細(xì)胞單色視以及全色盲相關(guān)的致病突變定位到三維結(jié)構(gòu)上，發(fā)現(xiàn)這些突變主要集中在維持蛋白正確折疊和二硫鍵形成的關(guān)鍵區(qū)域，比如破壞C203與C126之間保守二硫鍵的突變會導(dǎo)致蛋白無法正確折疊并最終喪失功能。

這項研究從原子水平上揭示了人眼三色視覺的分子基礎(chǔ)，闡明了不同視錐視蛋白在光譜調(diào)諧、激活態(tài)穩(wěn)定性和G蛋白偶聯(lián)方面的結(jié)構(gòu)差異，為理解視桿和視錐細(xì)胞光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的動力學(xué)差異提供了結(jié)構(gòu)框架，也為遺傳性色覺缺陷和視錐細(xì)胞營養(yǎng)不良癥的分子機制研究奠定了重要基礎(chǔ)。

READING

BioPeers