创新背景

随着新的颜色敏感视锥细胞在眼睛中生长，受控的基因活动模式让每个细胞分化并产生一种专门用于检测特定范围光波长的蛋白质。所有具有脊椎的动物的祖先可以区分四种不同颜色波长的光：近紫外线、蓝色、绿色和红色。

几千年来，一些祖先物种失去了负责其中一两种颜色检测蛋白的基因。有时，后代物种最终通过复制然后突变剩余的基因来重建颜色特异性蛋白质。

创新过程

经过数十年对小鼠色觉的研究，对斑马鱼的新研究使东京大学的专家发现了一些动物调节它们看到蓝光的能力的机制。发表在《科学进展》上的研究结果Foxq2 determines blue cone identity in zebrafish使研究人员能够更好地了解色觉的进化历史和当前的控制机制。

光敏感度和颜色分化都来自同一种蛋白质。基因组测序使研究人员能够研究色觉基因的进化，而基因编辑工具可以揭示这些基因是如何被调节的。研究小组确定了颜色敏感的蛋白质，绘制它们在物种之间的进化，进而了解它们的调控机制。

斑马鱼的眼睛有专门用于区分近紫外（V），蓝色（B），绿色（G）和红色（R）波长的光的视锥细胞。研究人员通过在视锥细胞的特殊亚型中添加不同的荧光标签，可视化了斑马鱼眼睛中彼此并排排列的视锥细胞的规则、重复模式。

研究小鼠使专家能够了解紫色和红色波长的敏感性是如何调节的，但小鼠进化时没有区分蓝色和绿色波长的能力。缺乏方便的基因编辑工具意味着蓝色和绿色敏感性的调节仍然未知。

2019年，深田研究团队将相对较新的基因编辑工具和斑马鱼的色觉研究结合起来，斑马鱼是一种具有所有四种颜色敏感蛋白的物种。正常斑马鱼视网膜的显微镜图像，即它们眼球内衬的光敏膜，并通过视神经连接到大脑，显示出荧光标记的视锥细胞以紫色、绿色、红色、蓝色、红色、绿色和紫色检测细胞的独特模式排列。

研究人员首先确定了six6b，six7和foxq2 三个基因仅在具有所有四种色觉蛋白的物种中常见。然后，他们对斑马鱼进行了基因改造，以减少这些基因的活性。

研究人员通过在细胞内的颜色敏感蛋白上添加不同的荧光标签，可视化了斑马鱼眼睛中彼此并排排列的锥细胞的规则、重复模式。实验表明，阻断调节基因foxq2（foxq2 mut）的正常活性如何导致斑马鱼发育出没有任何健康动物（野生型，WT）中可见的蓝色敏感视锥细胞的眼睛。

研究人员观察到，无论是组合还是单独减少six6b和six7的表达，都会消除斑马鱼的蓝色和绿色视觉。没有蓝色和绿色视力的斑马鱼很难找到食物，这表明全彩视觉对它们的生存很重要。

研究结果使研究人员能够了解蓝色和绿色的敏感性如何通过不同的foxq2活性来区分。在将检测到蓝光的视锥细胞中，six6b和six7激活foxq2。然后foxq2激活蓝色敏感蛋白的基因表达并阻断绿色敏感蛋白的表达。缺乏正常foxq2基因表达的斑马鱼的视网膜没有对蓝光敏感的视锥细胞，而是将紫色、绿色和两个红色、绿色和紫色检测锥细胞的较短图案包装在一起。

通过将单个物种的分子遗传学研究与多个物种的比较基因组研究相结合，研究人员对色觉调控图谱的有效性更有信心。

创新价值

从长远来看，关于色觉如何形成的基础生物学研究为相关基因和蛋白质研究拓展理论，可能有助于未来的色盲治疗。