
視桿細胞
人類(lèi)每個(gè)眼球的視網(wǎng)膜內約有1.2億個(gè)視桿細胞,其樹(shù)突呈細桿抓哏內,稱(chēng)為視桿,視桿外節的膜盤(pán)除基部少數膜盤(pán)仍與胞膜相連,其余大部分均在邊緣處與胞膜脫離,成為獨立的膜盤(pán)。膜盤(pán)的更新是由外節基部不斷產(chǎn)生,其頂端不斷被色素上皮細胞所吞噬。膜盤(pán)上鑲嵌有感光物質(zhì),稱(chēng)視紫紅質(zhì)(rhodopsin),能感受弱光。視紫紅質(zhì)是由11-順視黃醛(11-cisretinae)和視蛋白(oposin)組成,前者是維生素A的衍生物,當維生素A缺乏時(shí),視紫紅質(zhì)合成不足,則患夜盲癥。視桿細胞體較小,核圓形染色較深,其軸突末梢不分之呈球型,與雙極細胞的樹(shù)突形成突觸。 約翰·霍普金斯大學(xué)科學(xué)家領(lǐng)導的研究小組發(fā)現,眼睛感光的任務(wù)極有可能僅由三種細胞負責。
在2003年6月15日期《自然》雜志的網(wǎng)絡(luò )版上,研究小組報道,視錐細胞、視桿細胞和產(chǎn)生黑視蛋白的特殊視網(wǎng)膜細胞一起合作,包攬了小鼠對光強做出反應的全部工作。有其他研究人員提出產(chǎn)生感光色素cryptochrome的細胞也有感光作用,但霍普金斯的科學(xué)家表示,就小鼠而言,cryptochrome細胞沒(méi)有這個(gè)作用,在人類(lèi)中恐怕也是如此。 “我們相當確信,視錐/視桿細胞系統和黑視蛋白系統是哺乳動(dòng)物眼部唯一兩個(gè)感光系統。”約翰·霍普金斯大學(xué)基礎生物醫學(xué)科學(xué)研究所的神經(jīng)科學(xué)教授King-Wai Yau博士說(shuō)。“永遠不要說(shuō)永遠,但至少目前還沒(méi)有證據表明有第三個(gè)系統存在。”

視紫紅質(zhì)分解
產(chǎn)生視覺(jué)形象是眼睛最為人熟知的工作,但感光并對光水平做出反應也是眼睛一項極為重要的工作。有了這個(gè)附屬能力,眼睛就可以維持機體內部生物鐘運轉,使瞳孔對光有反應,在一天中適當的時(shí)間激活響應的活動(dòng)動(dòng)機。科學(xué)家報道,沒(méi)有這三種細胞發(fā)送的信號,小鼠就會(huì )喪失這些正常能力。在實(shí)驗中,Yau和博士后研究人員Samer Hattar博士除去編碼三種關(guān)鍵蛋白的基因,三種蛋白中的每一種都有助于傳遞來(lái)自視桿細胞、視錐細胞和黑視蛋白細胞的光信息。早先,阻止小鼠模型視桿細胞、視錐細胞和產(chǎn)生視力的細胞的光信息傳遞的傳統方法是使視桿細胞和視錐細胞退化。
“但我們想避免傳統的視桿、視錐細胞退化孝小鼠模型所帶來(lái)的不確定性。”Hattar說(shuō)。“在那個(gè)模型中,你無(wú)法確定視桿細胞和視錐細胞喪失的百分比,也無(wú)法確定退化的視網(wǎng)膜本身是否會(huì )影響你的觀(guān)察結果。”
令分別除去了3種關(guān)鍵蛋白的單基因敲除小鼠進(jìn)行雜交,最終產(chǎn)生的后代,也就是3基因敲除小鼠,每種蛋白的“劑量“都減半或者三種蛋白水平出現不同組合。 與倫敦帝國學(xué)院的Robert Lucas合作,霍普金斯大學(xué)的研究人員證明,3基因敲除小鼠根本無(wú)法調節瞳孔對光做出反應。在多倫多大學(xué)進(jìn)行的實(shí)驗中,文章合著(zhù)者Nicholas Mrosovsky發(fā)現,3基因敲除小鼠暴露于光照中時(shí),活躍水平的調節也不適當。而三種蛋白各含一半劑量的小鼠在兩個(gè)實(shí)驗中反應都正常。 “即使其內部生物鐘告訴它現在是夜晚,正常小鼠暴露于強光時(shí)也會(huì )表現得不太活躍,會(huì )藏起來(lái)甚至睡覺(jué)。”Yau說(shuō)。“這被看作是動(dòng)機發(fā)生改變,也許小鼠意識到在光照中--即使生物鐘告訴它們現在是夜晚,它們被捕食的機會(huì )更大。但3基因敲除小鼠好像在白天與夜晚一樣活躍。”
研究人員設計了另外一個(gè)實(shí)驗來(lái)排除cryptochrome蛋白有感光作用,據報道該蛋白與果蠅的感光有關(guān)。由于每個(gè)光敏蛋白都是對光的特征波長(cháng)最敏感,因而將小鼠暴露于單波長(cháng)光中可以揭示對眼睛的非視覺(jué)功能最重要的蛋白。 在這些在倫敦帝國學(xué)院進(jìn)行的實(shí)驗中,研究人員發(fā)現傳統的視桿/視錐細胞退化小鼠當暴露于黑視蛋白細胞而不是cryptochrome細胞感應的光時(shí),“重設”內部生物鐘的能力最強。
“在果蠅中,有兩個(gè)以上系統負責感光,而在斑馬魚(yú)和鳥(niǎo)類(lèi)等一些動(dòng)物中,感光甚至不只局限于眼睛,而這對于傳統的視桿/視錐細胞退化小鼠而言是不可能的事情。”Hattar說(shuō)。Hattar正在區分視桿細胞和視錐細胞在感光中所扮演的角色。“但在哺乳動(dòng)物中,所有這些功能--視力、生物鐘和光誘導活動(dòng),都存在于一個(gè)部位,那就是視網(wǎng)膜,并且僅由兩個(gè)系統、三類(lèi)細胞完成。” 盲人的視桿細胞和視錐細胞喪失功能,但眼睛中產(chǎn)生黑視蛋白的細胞似乎仍能提供足夠的信息使身體和大腦與生物鐘協(xié)調一致。但如果完全失去雙眼,生物鐘就會(huì )遭到破壞。