眼非視覺(jué)功能在生物感磁過(guò)程中的作用

宋思佳 覃思穎 綜述 洪穎 張純 審校

1北京大學(xué)第三醫(yī)院眼科100191；2北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院100871；3北京大學(xué)干細(xì)胞研究中心 100191

眼是人和動(dòng)物利用光感知外界事物的視覺(jué)器官。眼非視覺(jué)功能是指眼除了傳遞視覺(jué)信息之外的功能，例如調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律以及其相關(guān)的瞳孔舒縮、情緒變化等生理過(guò)程，還包含參與生物感磁的過(guò)程[1]。生物感磁是指生物具備感應(yīng)周圍磁場(chǎng)的能力。生物可通過(guò)周圍磁場(chǎng)，主要是地磁場(chǎng)，獲取方向、位置信息，從而遷徙至更利于自身生存繁衍的環(huán)境。關(guān)于生物感磁行為的研究已有50余年的歷史，從低等細(xì)菌到人類，許多生物存在與磁場(chǎng)相關(guān)的生理活動(dòng)[2-5]，生物感磁機(jī)制的研究隨之而至。近年來(lái)研究者發(fā)現(xiàn)藍(lán)光與生物感磁的相關(guān)性，從遷徙鳥類視網(wǎng)膜中發(fā)現(xiàn)的藍(lán)光受體蛋白隱花色素(cryptochrome，Cry)成為最可能的磁受體[6]。本文就Cry介導(dǎo)的眼非視覺(jué)功能在生物感磁過(guò)程中的作用進(jìn)行綜述。

1 眼非視覺(jué)功能

1.1 晝夜節(jié)律的調(diào)節(jié)

晝夜節(jié)律是指生物與晝夜交替同步的周期性生命活動(dòng)，例如睡眠周期、激素水平等。光照是形成晝夜節(jié)律最關(guān)鍵的因素。近年來(lái)，研究者們?cè)谝暰W(wǎng)膜結(jié)構(gòu)上發(fā)現(xiàn)了內(nèi)部感光視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(intrinsically photosensitive retinal ganglion cells，ipRGCs)[7]。人類ipRGCs占視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的0.2%，且絕大多數(shù)位于視網(wǎng)膜的中央部，ipRGCs發(fā)出神經(jīng)纖維到達(dá)晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)中樞——視交叉上核，以此參與生物晝夜節(jié)律的調(diào)節(jié)[1，8]。Purrier[9]等研究發(fā)現(xiàn)，消除小鼠ipRGCs傳遞的神經(jīng)遞質(zhì)后，小鼠的晝夜節(jié)律發(fā)生了顯著變化。ipRGCs比普通視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞具有更強(qiáng)的抗壓性，在高眼壓小鼠模型中較晚出現(xiàn)凋亡，形成了通過(guò)誘導(dǎo)ipRGCs傳遞視覺(jué)信號(hào)治療青光眼的新思路[10]。研究發(fā)現(xiàn)，除了調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律外，ipRGCs還介導(dǎo)瞳孔舒縮、情緒變化的過(guò)程[1，11-13]。Ostrin等[14]研究表明，ipRGCs數(shù)量減少后，瞳孔的基線直徑會(huì)增大，瞳孔縮小的幅度會(huì)降低。晚期青光眼會(huì)出現(xiàn)繼發(fā)性的ipRGCs數(shù)量減少，這些患者也表現(xiàn)出瞳孔反射障礙和晝夜節(jié)律異常[15]。徐金華等[16]發(fā)現(xiàn)光照節(jié)律的改變會(huì)導(dǎo)致大鼠視網(wǎng)膜萎縮變薄，視網(wǎng)膜光感受器細(xì)胞出現(xiàn)溶解、空泡等改變。

1.2 生物感磁

生物感磁行為最早在1963年發(fā)現(xiàn)，Bellini描述了趨磁細(xì)菌可通過(guò)地磁場(chǎng)獲取方向信息，產(chǎn)生定向下移，從而到達(dá)更適宜生存的微氧環(huán)境。自此，從海洋生物到陸地生物昆蟲類、哺乳類生物的感磁能力逐漸被行為學(xué)研究證實(shí)[2-5]。人類感磁的行為學(xué)研究較少，但一些研究也證實(shí)了人類導(dǎo)航行為可能受到磁場(chǎng)的影響。Baker等[17]通過(guò)指路實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)人類頭戴磁鐵后指認(rèn)方向的準(zhǔn)確性大大降低；Wang等[18]實(shí)驗(yàn)證實(shí)，人在靜止?fàn)顟B(tài)占優(yōu)勢(shì)的腦電波是α波，在屏蔽無(wú)關(guān)的電磁干擾以及聲音、觸覺(jué)等信號(hào)刺激后，當(dāng)外界磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，α波的振幅會(huì)下降，且該實(shí)驗(yàn)具有良好的可重復(fù)性。但是到目前為止，除了在趨磁細(xì)菌體內(nèi)發(fā)現(xiàn)趨磁小體外[19]，還沒(méi)有確切的證據(jù)證明任何一種動(dòng)物體內(nèi)存在感磁的器官。

2 生物感磁過(guò)程的機(jī)制假說(shuō)

眼非視覺(jué)功能參與生物感磁的假說(shuō)有2種，分別是基于化學(xué)反應(yīng)和自由基對(duì)的磁感應(yīng)假說(shuō)[20]，以及光磁耦合的生物指南針假說(shuō)[21]，提出了2種生物體內(nèi)感磁受體的模型。

2.1 基于化學(xué)反應(yīng)和自由基對(duì)的磁感應(yīng)假說(shuō)

基于化學(xué)反應(yīng)和自由基對(duì)的磁感應(yīng)假說(shuō)提出，Cry是生物感磁的關(guān)鍵分子。1979年研究者在隱花植物中發(fā)現(xiàn)Cry，主要作用是感受藍(lán)光，之后Cry被發(fā)現(xiàn)廣泛存在于各種生物體內(nèi)，與動(dòng)植物的生物節(jié)律相關(guān)[6]。Cry和磁場(chǎng)的相關(guān)性最早在擬南芥生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)中被發(fā)現(xiàn)，Ahmad等[22]實(shí)驗(yàn)表明，在藍(lán)光照射下，磁場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)，野生型的擬南芥表現(xiàn)為生長(zhǎng)抑制作用，而在紅光照射下并不表現(xiàn)出抑制作用。且在Cry基因敲除的擬南芥中，藍(lán)光照射下磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加沒(méi)有生長(zhǎng)抑制作用。最早關(guān)于動(dòng)物Cry和磁場(chǎng)的相關(guān)性研究是Wiltschko等[23-24]發(fā)現(xiàn)歐洲知更鳥在藍(lán)光波長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)出更好的方向性，而在黃光波長(zhǎng)區(qū)域出現(xiàn)方向迷失的行為。這個(gè)現(xiàn)象提示感受藍(lán)光和感磁具有相關(guān)性，藍(lán)光受體蛋白Cry是最可能的磁受體分子。研究者認(rèn)為生物體內(nèi)存在的感磁系統(tǒng)是獨(dú)立于視覺(jué)傳導(dǎo)之外的系統(tǒng)，但與視覺(jué)傳導(dǎo)共用視網(wǎng)膜。

2.1.1Cry的結(jié)構(gòu)及其在眼內(nèi)的分布 Cry蛋白結(jié)構(gòu)包括2個(gè)功能區(qū)，即氨基端和羧基端，在氨基端光裂解酶相關(guān)區(qū)域存在一腔隙，包裹著可以進(jìn)行電子傳遞的基團(tuán)——黃素腺嘌呤二核苷酸(flavin adenine dinucleotide，F(xiàn)AD)，F(xiàn)AD與Cry分子之間為非共價(jià)結(jié)合。在Cry分子內(nèi)部，存在3個(gè)高度保守的色氨酸(tryptophan，Trp)，即TrpA、TrpB和TrpC，三者排列成鏈狀，并稱為色氨酸三聯(lián)子。TrpC與FAD距離最近，可實(shí)現(xiàn)Trp和Cry之間的電子傳遞[25-31]。

在有視覺(jué)器官的動(dòng)物體內(nèi)，Cry在多個(gè)器官組織中表達(dá)，其中包括視網(wǎng)膜[32]。Cry通常包括多種亞型，其中一些亞型表達(dá)具有節(jié)律性，與生物節(jié)律相關(guān)，與感磁相關(guān)的Cry通常是其中的一種[33-35]。在視網(wǎng)膜上，Cry在視網(wǎng)膜多個(gè)層次中均有表達(dá)，尤其在視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞中呈現(xiàn)高表達(dá)。Cry亞型的含量在不同物種間有明顯區(qū)別。Mouritsen等[36]通過(guò)染色遷徙鳥類和非遷徙鳥類的視網(wǎng)膜發(fā)現(xiàn)，兩者Cry1的表達(dá)含量有顯著區(qū)別。Thompson等[37]通過(guò)實(shí)時(shí)熒光定量PCR對(duì)人視網(wǎng)膜Cry1和Cry2的mRNA進(jìn)行定量，發(fā)現(xiàn)Cry2的mRNA表達(dá)量是Cry1的11倍，通過(guò)免疫組織化學(xué)法檢測(cè)發(fā)現(xiàn)人Cry2在神經(jīng)節(jié)細(xì)胞層和內(nèi)核層高表達(dá)，且在細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核中均有表達(dá)。人的Cry基因序列與低等動(dòng)植物的Cry基因序列高度相似，Gegear等[38]將人的Cry2基因植入Cry基因敲除的果蠅體內(nèi)，果蠅可以恢復(fù)原有的磁感應(yīng)能力，這個(gè)實(shí)驗(yàn)在基因水平上證明Cry與生物感磁相關(guān)。Bazalova等[39]通過(guò)基因表達(dá)沉默的方式阻止了蟑螂的Cry2 RNA表達(dá)，蟑螂的方向性顯著降低。

2.1.2Cry介導(dǎo)的磁感應(yīng)過(guò)程 根據(jù)量子力學(xué)原理，光激發(fā)的電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)可以產(chǎn)生自由基對(duì)，Cry分子內(nèi)部的Trp及結(jié)合基團(tuán)FAD發(fā)生反應(yīng)，其過(guò)程如圖1。自由基對(duì)中的2個(gè)電子均處于單重態(tài)，單重態(tài)電子的旋轉(zhuǎn)逐漸受到原子核自旋以及周圍磁場(chǎng)的影響，發(fā)生自旋排列的改變。在一些情況下，初始單重態(tài)通過(guò)電子自旋和核自旋的超精細(xì)相互作用可以耦合成簡(jiǎn)并三重態(tài)，這2種狀態(tài)存在的概率是不等的。假設(shè)單重態(tài)與三重態(tài)會(huì)引起下游化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生不同的化學(xué)產(chǎn)物，那么根據(jù)不同的產(chǎn)物，生物便能感受到磁場(chǎng)的變化[26,40]。即使磁場(chǎng)強(qiáng)度很低時(shí)，因?yàn)樽杂苫旧硖幱谑植环€(wěn)定的狀態(tài)，磁場(chǎng)依然可以影響上述過(guò)程[41-42]。

圖1 自由基對(duì)的形成[26] FAD在黑暗中是氧化穩(wěn)定態(tài)，其在吸收藍(lán)光或近紫外光后，激發(fā)成單電子激發(fā)態(tài)(FAD*)，需要接受Cry分子內(nèi)色氨酸(Trp)的電子實(shí)現(xiàn)還原反應(yīng)，電子的轉(zhuǎn)移形成了自由基對(duì)注：FAD：黃素腺嘌呤二核苷酸；Trp：色氨酸

以上假說(shuō)構(gòu)建了光激發(fā)下的自由基對(duì)模型，通過(guò)不穩(wěn)定的中間態(tài)可以感知較弱的地磁場(chǎng)信號(hào)，解釋了生物在外界磁場(chǎng)變化時(shí)方向性行為也隨之改變的現(xiàn)象。該假說(shuō)的基礎(chǔ)之一是激發(fā)光為藍(lán)綠光波段，但是也有研究表明，F(xiàn)AD在不同Cry中吸收光譜無(wú)明顯差異，意味著可能存在其他的因子輔助識(shí)別藍(lán)綠光波段[43]。

2.2 光磁耦合的生物指南針假說(shuō)

基于化學(xué)反應(yīng)和自由基對(duì)的磁感應(yīng)假說(shuō)具有一定的局限性，它僅能解釋生物可以獲取磁場(chǎng)信號(hào)，但不能解釋如何獲取更詳細(xì)方向信息。有研究認(rèn)為，當(dāng)自由基對(duì)自旋相干達(dá)數(shù)微秒以上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)尖銳的峰值信號(hào)，峰值信號(hào)使得遷徙鳥類不斷調(diào)整方向[44]。另一種研究即光磁耦合的生物指南針假說(shuō)，該假說(shuō)提出了另一種位于視網(wǎng)膜的重要蛋白質(zhì)——磁受體蛋白(magnetoreceptor，MagR)，Cry與MagR形成棒狀、具有磁性的多聚復(fù)合體結(jié)構(gòu)，揭示了外界磁場(chǎng)改變引起生物體內(nèi)分子水平的變化，該假說(shuō)進(jìn)一步完善了眼非視覺(jué)功能在生物感磁過(guò)程中的作用機(jī)制。

Cry/MagR分子指南針是由Cry和MagR經(jīng)過(guò)多聚反應(yīng)形成的棒狀小體。多個(gè)MagR分子線性排列形成棒狀小體的內(nèi)核，多個(gè)Cry分子在MagR內(nèi)核的外圍螺旋排列，形成棒狀小體的外殼。目前在電子顯微鏡下觀察到，體外條件下Cry可以與MagR發(fā)生聚合反應(yīng)，形成棒狀、具有磁性的Cry/MagR復(fù)合體，當(dāng)外界磁場(chǎng)方向變化時(shí)，棒狀的復(fù)合體也會(huì)發(fā)生指向的變化。在體內(nèi)條件，原鴿的視網(wǎng)膜免疫組織化學(xué)染色結(jié)果提示，鴿子的Cry和MagR在視網(wǎng)膜的不同層次中呈現(xiàn)不同程度的表達(dá)；但在視網(wǎng)膜的神經(jīng)節(jié)細(xì)胞層、內(nèi)核層和外核層3個(gè)層次中，Cry和MagR共定位且高強(qiáng)度表達(dá)，其中神經(jīng)節(jié)細(xì)胞層的共定位現(xiàn)象最明顯[21]。共定位現(xiàn)象提示在體內(nèi)條件下，視網(wǎng)膜上可能也存在Cry/MagR復(fù)合體，傳遞外界磁場(chǎng)方向信息。

光磁耦合的生物指南針假說(shuō)解釋了生物產(chǎn)生方向感的原因，且研究者成功地在體外觀察到了Cry/MagR復(fù)合體及其內(nèi)在磁性。雖然在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中證明了Cry和MagR共定位于視網(wǎng)膜，但是體內(nèi)條件下Cry和MagR是否能夠形成復(fù)合體，以及復(fù)合體是否仍具有磁性，需要進(jìn)一步的探討。

3 眼非視覺(jué)功能在生物感磁過(guò)程中可能的作用機(jī)制

綜上所述，以上2個(gè)假說(shuō)均認(rèn)為視網(wǎng)膜上的分子可能是生物感磁的受體蛋白，這提示眼可能是生物感磁的器官。光線和磁場(chǎng)的變化通過(guò)自由基電子自旋方式的改變影響了視網(wǎng)膜上Cry的分子結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步產(chǎn)生不同的化學(xué)產(chǎn)物；或者光信號(hào)和磁信號(hào)通過(guò)某種方式的耦合，影響了視網(wǎng)膜上Cry/MagR復(fù)合體的形成和指向。這些視網(wǎng)膜上的改變?cè)偻ㄟ^(guò)某種途徑傳輸至大腦，從而產(chǎn)生方向感。

眼非視覺(jué)功能的研究具有廣闊的前景，一方面，體外條件下Cry/MagR多聚復(fù)合體呈現(xiàn)棒狀結(jié)構(gòu)，并在外加旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中發(fā)生同步變化，提示生物蛋白Cry/MagR可以作為新的磁敏材料運(yùn)用在材料工程、生物醫(yī)學(xué)、物理學(xué)等領(lǐng)域，帶來(lái)新的技術(shù)創(chuàng)新，例如磁場(chǎng)控制藥物載體、腫瘤靶向治療、磁性生物傳感器的研究開(kāi)發(fā)等；另一方面，磁場(chǎng)信息通過(guò)視網(wǎng)膜分子的結(jié)構(gòu)變化傳入大腦，提示眼腦之間存在新的連接通路。新的連接通路可能成為檢測(cè)視覺(jué)通路的新方法，例如青光眼、糖尿病視網(wǎng)膜病變等病變?cè)缙诔霈F(xiàn)視覺(jué)通路損害時(shí)，或者腦腫瘤患者出現(xiàn)視覺(jué)障礙時(shí)，通過(guò)檢測(cè)感磁功能，可以為眼病和腦病的診斷提供線索；同時(shí)，新通路在治療視覺(jué)通路受損的神經(jīng)眼科疾病方面可能成為新的靶點(diǎn)，它可能代替原有的通路傳遞視覺(jué)信息，為低視力患者恢復(fù)視力或者研發(fā)低視力輔助設(shè)備提供可能性。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突