Cell?Rep | 邱偉/李莎莎/肖冬長/孫堅團隊揭示跨物種視覺適應分子特征

近日，中山大學附屬第三醫院腦病中心邱偉、內分泌與代謝病學科李莎莎，聯合中山眼科中心肖冬長、華南農業大學孫堅等在Cell Reports雜志 發表了題為Cross-Species Single-Cell Transcriptomic Atlas of Retinal Photoreceptors Reveals Molecular Signatures Underlying Color Vision Adaptation的研究論文。

人類是如何感知這個五彩斑斕的世界？這要歸功于視網膜上的兩種感光細胞：視桿細胞和視錐細胞。視桿細胞主要負責暗視覺（夜間視覺），對微弱光線非常敏感，但無法分辨顏色；而視錐細胞則掌管明視覺（日間視覺），賦予我們感知色彩的能力。人類眼睛中含有三種視錐細胞，它們分別對紅、綠、藍三種基本色光最為敏感。通過這三種細胞的協同工作（基于三原色原理），我們的大腦便能解讀出自然界中絢麗多彩的萬千色彩。

眼睛的結構及視網膜上的感光細胞（網絡圖片）

有趣的是，不同動物在視覺能力（包括視力和色覺）上存在顯著差異，這些差異反映了它們對生態位的適應性演化。在視力方面，鷹類的視覺系統極為敏銳（如金雕的視力分辨率約為人類4-8倍），部分猛禽可在千米外精準定位獵物。這一能力得益于其視網膜中央凹視錐細胞密度高達100萬/mm2（人類約20萬/mm2）和獨特的雙凹透鏡結構。在色覺方面，現存哺乳動物中大多數非靈長類（如犬科、貓科）為二色視者，具有對短波（藍紫）和中長波（黃綠）敏感的視錐細胞；而包括人類在內的舊大陸靈長類則通過視蛋白基因復制獲得了三色視覺。相比之下，螳螂蝦（口足目）擁有16種光感受器，能感知從紫外到紅外的廣譜光線及偏振光，但其色覺處理機制與脊椎動物截然不同。夜行性動物的視覺適應尤為特殊，例如鸮形目鳥類的視網膜中視桿細胞占比超90%，配合特化的鞏膜環和瞬膜，使其在0.0001 lux照度下仍保持高效捕獵能力。這些差異不僅揭示了視覺系統的演化多樣性，其背后的分子機制（如深海魚類的視蛋白適應性進化）更為治療人類視網膜疾病提供了新的研究思路。

視網膜病變常累及視錐與視桿細胞，常見病因包括糖尿病視網膜病變，高血壓視網膜病變，黃斑變性等。近年，越來越多研究證實“神經系統疾病早期即可出現視網膜病”，包括神經變性疾病，如帕金森病【1】、阿爾茨海默癥【2】。而神經免疫性疾病，如經典的多發性硬化癥【3】（MS）早期既有視網膜細胞損傷；國內解放軍總醫院魏世輝/陳霆雋團隊近期通過動物實驗證實，東方人群多見的視神經脊髓炎（NMO）也可以出現視網膜損傷，填補了傳統的NMO視神經損傷的理論【4】。“視網膜”這一特殊器官，正逐漸成為神經系統疾病早期篩查的目標。視覺障礙不僅包括視力障礙，還包括色覺障礙。并且患者在視力正常時，也可有色覺受損，這往往被忽視。色覺損傷機制及治療近年成為神經科學研究熱點。

首先，采集人、猴、螈、鼠、龜、蜥、豬、鴨、魚、雞、刺猬、貂、鸚鵡、雀、蛇、貓、犬等24種脊椎動物的視網膜細胞，進行單細胞測序，建立scPred分析模型，分析轉錄譜特征，并通過FACS、qRT-PCR和FISH進行功能驗證。發現視網膜中主要的8種視網膜細胞類型和基因表達譜存在保守性，進化過程中同一物種亞類間的存在相似性，但隨著物種進化演變，包括視桿細胞在內的細胞類型轉錄譜特征越來越接近于人的基因譜特征。其次，研究發現 感光細胞（視桿細胞和視錐細胞）的色覺調控的核心轉錄程序及共表達的基因，NCOA2基因和ADGRB3基因
及視蛋白表達模式在跨物種間存在顯著差異。同時 ，研究證實人類三種視錐細胞受到不同的代謝模式和關鍵轉錄因子的調控。其中，OPN1SW型視錐細胞、OPN1MW型視錐細胞中脂肪酸生物合成代謝活躍，OPN1LW型視錐細胞中FOXO3轉錄因子高表達。

之后，研究人員繪制了色覺相關疾病譜（視力障礙和失明、色盲、先天性黑朦、色弱、先天性靜止性夜盲癥、視網膜疾病、視網膜色素變性、視錐/視桿細胞營養不良和黃斑變性），分析色覺易感基因（GUCA1A、 HRG4 、GNAT等）在跨物種視網膜細胞中表達差異。結果表明，色覺易感基因主要在視錐細胞、視桿細胞和視神經節細胞中表達，但在不同物種中的表達存在差異。

最后，為進一步探索未來適合不同色覺障礙疾病的動物模型，研究人員分析了人類視錐細胞中的基因表達，并與其他脊椎動物的基因表達進行比對，發現雪貂更適用于人類視錐細胞疾病，而豬更適用于先天性靜止性夜盲癥和視網膜色素變性模型等。

該研究從物種演化的角度揭示了調控不同物種視網膜色覺感受器的色覺適應的分子特征，分析了參與調控不同類型色覺感受器細胞的代謝模式和分子調控機制，有助于指導視覺相關疾病研究及臨床前試驗：

（1）神經免疫性疾病視覺障礙的機制研究提供理論依據。

（2）篩選視網膜病變生物標志物，為建立分子檢測-診斷-治療提供靶標。

（3）對視覺障礙，尤其是色覺障礙患者，包括神經變性疾病以及“先天性色盲”等罕見病，進行跨物種視錐細胞/視網膜移植、特定基因修飾治療、特定轉錄因子靶向藥物治療提供依據。

（4）指導動物選擇，為建立相關人類疾病動物模型提供依據。

腦病中心李志彬、魯玉寶、言誠開、舒崖清、張良明等為共同作者。中山眼科中心楊暉、向孟清、冀建平、歐展聰，深圳理工大學曹罡、暨南大學李曉江，北京協和醫學院蘇州系統醫學研究所陳東升等為本研究提供了重要支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.celrep.2025.116164

制版人：十一

參考文獻

1. Lin J. J Neurol. 2025.

2. Kim HJ. PLoS One. 2022.

3. Vidovi? T. Acta Clin Croat. 2023.

4. Chen B. J Neuroinflammation. 2025.

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