在脊椎動(dòng)物的視網(wǎng)膜中，負責色彩視覺(jué)的特殊光感受器（錐體細胞）以“錐體馬賽克”模式排列。OIST的研究人員發(fā)現，一種名為 Dscamb 的蛋白質(zhì)在斑馬魚(yú)的視網(wǎng)膜中色彩檢測細胞中充當“自我回避執行者”，確保它們之間保持適當間距，從而實(shí)現最佳視覺(jué)效果。這一發(fā)現已發(fā)表在《Nature Communications》上。

視覺(jué)科學(xué)中的謎題

脊椎動(dòng)物的視網(wǎng)膜包含光感受器細胞，這些細胞將光轉化為神經(jīng)信號。這些光感受器主要分為兩種類(lèi)型：在微弱光線(xiàn)下起作用的桿狀細胞以及在明亮光線(xiàn)下提供色彩視覺(jué)的錐狀細胞。錐體細胞又根據探測的特定光波長(cháng)進(jìn)一步細分。在斑馬魚(yú)中，有四種錐體細胞類(lèi)型：紅、綠、藍和紫外線(xiàn)。

錐體馬賽克指的是這些不同類(lèi)型的錐體細胞在視網(wǎng)膜表面高度有序的空間排列。錐體細胞并不是隨機分布的，而是保持特定的距離，形成可辨識的圖案。當從表面觀(guān)察視網(wǎng)膜時(shí)，呈現出馬賽克般的外觀(guān)。

圖片鏈接：https://www.eurekalert.org/multimedia/1065284

圖片信息：（左側面板）成年斑馬魚(yú)的圓錐馬賽克圖案顯示四種圓錐細胞類(lèi)型的格子狀規則排列。（右側面板）在同源染色體的任一或兩個(gè)上缺乏 Dscamb 基因的魚(yú)的圓錐鑲嵌模式。Dscamb 已被確定為調節紅錐細胞排列的分子。Dscamb 的缺失會(huì )導致紅色圓錐體聚集，從而導致規則的圓錐體馬賽克圖案中斷。

在斑馬魚(yú)中，這四種錐體細胞的排列形成了一個(gè)類(lèi)似格子狀的規則錐體馬賽克模式。這種復雜的錐體馬賽克模式在魚(yú)類(lèi)中于19世紀后期首次被描述。然而，直接調控錐體馬賽克模式形成的分子在脊椎動(dòng)物中尚未得到明確識別。

創(chuàng )建斑馬魚(yú)錐體馬賽克缺陷突變體

DSCAM（唐氏綜合征細胞粘附分子）是一種在發(fā)育過(guò)程中幫助神經(jīng)細胞正確連接的蛋白質(zhì)。它最早在人類(lèi)中發(fā)現于21號染色體，與唐氏綜合征相關(guān)。DSCAM蛋白在許多動(dòng)物中存在，幫助神經(jīng)細胞形成神經(jīng)回路而不發(fā)生糾纏。斑馬魚(yú)有三個(gè)版本的該蛋白質(zhì)：Dscama、Dscamb 和 DscamL1。只有 Dscamb 存在于發(fā)育中的斑馬魚(yú)眼睛的光感受器細胞中。

圖片信息：紅色視錐細胞排列：（左）在野生型視網(wǎng)膜中，紅色視錐細胞向鄰近細胞延伸多個(gè)絲狀足，但這些絲狀足在遇到其他紅色視錐細胞時(shí)停止生長(cháng)（白色箭頭）。（中）在Dscamb突變體中，即使與相鄰的紅色球果（白色箭頭）接觸后，紅色球果絲狀偽足仍在繼續生長(cháng)。（右）野生型和Dscamb突變體紅球果的絲狀線(xiàn)伸展/收縮的時(shí)間序列動(dòng)態(tài)，左圖和中圖用黃色矩形表示。

“由于 DSCAM 在神經(jīng)系統發(fā)育中調節自我回避機制，我們對斑馬魚(yú)進(jìn)行了遺傳修飾，使其缺乏功能性 Dscamb 蛋白，以測試該蛋白質(zhì)是否參與錐體馬賽克的形成，”OIST發(fā)育神經(jīng)生物學(xué)部博士、該研究第一作者博士Dongpeng Hu如是說(shuō)。“我們發(fā)現，尤其是紅錐體的排列在 Dscamb 突變體中受到影響，錐體馬賽克模式被破壞。”

同細胞識別塑造視覺(jué)

在斑馬魚(yú)的光感受器分化早期，錐體光感受器通過(guò)其頂端延伸出細長(cháng)的突起，稱(chēng)為偽足，但這些偽足在光感受器分化中的生理作用尚不清楚。為了澄清 Dscamb 在錐體馬賽克形成中的作用，研究人員采用熒光標記技術(shù)對 Dscamb 蛋白在細胞內的位置進(jìn)行了可視化。令人驚訝的是，Dscamb 蛋白集中分布在錐體光感受器的頂端區域，包括偽足狀突起的尖端部分。

研究人員觀(guān)察了紅錐體偽足的行為。通過(guò)動(dòng)態(tài)成像，他們發(fā)現紅錐體向鄰近的紅錐體伸展偽足，短暫接觸后再收回，而這種行為在野生斑馬魚(yú)中是顯而易見(jiàn)的。相反，在鄰近的非紅錐體中，并未觀(guān)察到這種依賴(lài)接觸的偽足收回現象。這一動(dòng)態(tài)過(guò)程逐漸建立了同類(lèi)型紅錐體之間的適當間距。然而，在 Dscamb 突變體中，紅錐體偽足在接觸同類(lèi)紅錐體后未能正常收回，反而保持附著(zhù)，甚至侵入臨近紅錐體的頂端表面。這導致紅錐體異常聚集，馬賽克模式受到破壞。

因此，錐體的頂端偽足充當探測器，探查環(huán)境并感知鄰近錐體是否為同一類(lèi)型。當一個(gè)紅錐體的偽足與另一個(gè)紅錐體接觸時(shí)，Dscamb 蛋白相互作用，觸發(fā)排斥反應，使偽足收回。這一自我回避機制確保紅錐體之間保持適當間距。

此外，這一自我回避機制特定于同類(lèi)型錐體之間的相互作用：紅錐體能夠識別并對其他紅錐體作出反應，藍錐體同樣對其他藍錐體做出反應。有趣的是，科學(xué)家發(fā)現 Dscamb 具體調節紅錐體的間距，而藍錐體之間的相似間距機制則似乎與 Dscamb 無(wú)關(guān)。因此，Dscamb 在斑馬魚(yú)錐體馬賽克形成過(guò)程中起著(zhù)識別同一紅錐體的作用。

對視覺(jué)研究的影響

“我們的計算機分析和建模證明，這種同類(lèi)型細胞之間的識別與排斥機制可以解釋觀(guān)察到的錐體馬賽克模式。這標志著(zhù)我們首次識別出直接調節錐體馬賽克形成的分子機制，為揭示其他脊椎動(dòng)物中類(lèi)似的過(guò)程提供了潛在的研究路徑，”OIST發(fā)育神經(jīng)生物學(xué)部負責人Ichiro Masai教授強調。

Dscamb 在斑馬魚(yú)錐體馬賽克形成中的角色發(fā)現對視覺(jué)研究具有重要意義。這揭示了為實(shí)現最佳視覺(jué)效果而必須具備的光感受器間距的分子基礎，同時(shí)為研究相關(guān)機制提供了機會(huì )。這些知識可能為相關(guān)領(lǐng)域的研究和應用開(kāi)辟新方向。

雜志：Nature Communications

DOI：10.1038/s41467-025-57506-1