約翰斯·霍普金斯醫(yī)學(xué)科學(xué)家表示，用鼠眼組織進(jìn)行的新實驗強(qiáng)烈表明，關(guān)于哺乳動物視網(wǎng)膜處理光的方式的長期“教科書概念”需要重寫。

30多年前，當(dāng)研究人員在青蛙視網(wǎng)膜上進(jìn)行實驗時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)被稱為光子的光的單個粒子被稱為棒的光敏細(xì)胞吸收時，這種持久的概念就扎根了，它開始了一連串的生化反應(yīng)。大約500個分子稱為G蛋白。

現(xiàn)在，約翰霍普金斯大學(xué)的視覺科學(xué)家說，他們的實驗，3月12日在美國國家科學(xué)院院刊中所描述的，表明在級聯(lián)反應(yīng)中激活的G蛋白分子的數(shù)量要少得多 - 僅涉及10-20個老鼠的棒。

科學(xué)家說，這一新發(fā)現(xiàn)很重要，因為G蛋白屬于一個非常大的生化信號通路家族，稱為G蛋白偶聯(lián)受體，是生物學(xué)中最豐富的信號通路之一，King-Wai Yau博士說。約翰霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院神經(jīng)科學(xué)與眼科學(xué)教授。

“這些途徑是制藥公司的主要目標(biāo)，因為它們控制著許多不同的生理過程，從允許我們看到圖像的那些到與心臟病相關(guān)的過程，”丘說。

“我們開始更好地了解我們的視覺系統(tǒng)，我們越了解系統(tǒng)，我們就越能為其故障開發(fā)治療方法，”丘的實驗室博士后研究員Daniel Silverman博士說。

當(dāng)光子撞擊視網(wǎng)膜中的視桿時，它會被稱為視紫紅質(zhì)的光敏蛋白吸收，該視蛋白被嵌入細(xì)胞內(nèi)的膜中。然后視紫紅質(zhì)激活G蛋白，進(jìn)而激活其他酶。Yau說，正是新實驗挑戰(zhàn)的一種視紫紅質(zhì)分子激活的G蛋白分子數(shù)量。他指出，其他科學(xué)家推測，活化的G蛋白分子的數(shù)量可能比原先提出的數(shù)百個少得多，但這個數(shù)字很難直接用完整的棒測量。

為此，丘和他的同事設(shè)計了兩種方法來測量完整桿中單個活化G蛋白的反應(yīng)。

首先，科學(xué)家使用經(jīng)過工程改造的小鼠來表達(dá)視紫紅質(zhì)的突變形式，它與G蛋白的相互作用非常差，因此大多數(shù)時候沒有G蛋白被激活。但是當(dāng)視紫紅質(zhì)成功地與G蛋白分子相互作用時，只有一種G蛋白被激活。

其次，科學(xué)家研究了視紫紅質(zhì)的正常視紫紅質(zhì)的衍生物，它是在視紫紅質(zhì)暴露在光線下后產(chǎn)生的。Opsin本身不吸收光，但它可以偶爾和非常弱地發(fā)出G蛋白的信號。丘說，Opsin的信號很弱，最多可以激活一個G蛋白分子。

為了進(jìn)行定量測量，Silverman和前研究生Wendy WS Yue使用的緊身玻璃吸管比填充鹽水溶液的人發(fā)更薄，并將玻璃吸管放在一根桿上，這條桿從小鼠的視網(wǎng)膜上發(fā)芽草。然后，Silverman和Yue記錄了來自桿的電流，該電流基本上反映了來自視紫紅質(zhì)/視蛋白-G蛋白級聯(lián)的信號。

通過使用數(shù)學(xué)工具分析電信號，Yue和Silverman發(fā)現(xiàn)由單個G蛋白分子觸發(fā)的電信號僅為來自單個視紫紅質(zhì)分子的信號估計值的十二分之一到十四分之一。因此，他們估計一種視紫紅質(zhì)激活大約10-20G蛋白質(zhì)分子。

丘先前曾發(fā)現(xiàn)，在一種促進(jìn)小鼠嗅覺的類似信號級聯(lián)中，一種活化的受體分子激活一種G蛋白分子的可能性非常低。相比之下，視覺中的這種信號系統(tǒng)觸發(fā)10-20個分子的發(fā)現(xiàn)可以反映視覺系統(tǒng)在非常暗的光條件下檢測光的獨特需要，而不必將來自多個桿的信息組合在一起，這將犧牲空間分辨率。

這項工作得到了美國國立衛(wèi)生研究院國家眼科研究所(EY006837，EY001157，EY012155和EY007143)，AntónioChampalimaud視覺獎，霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所國際預(yù)測獎學(xué)金和視覺科學(xué)培訓(xùn)項目預(yù)科獎學(xué)金的支持。