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

視覺科學(xué)中的謎題

脊椎動物的視網(wǎng)膜包含光感受器細胞，這些細胞將光轉(zhuǎn)化為神經(jīng)信號。這些光感受器主要分為兩種類型：在微弱光線下起作用的桿狀細胞以及在明亮光線下提供色彩視覺的錐狀細胞。錐體細胞又根據(jù)探測的特定光波長進一步細分。在斑馬魚中，有四種錐體細胞類型：紅、綠、藍和紫外線。

錐體馬賽克指的是這些不同類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。當從表面觀察視網(wǎng)膜時，呈現(xiàn)出馬賽克般的外觀。

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

在斑馬魚中，這四種錐體細胞的排列形成了一個類似格子狀的規(guī)則錐體馬賽克模式。這種復(fù)雜的錐體馬賽克模式在魚類中于19世紀后期首次被描述。然而，直接調(diào)控錐體馬賽克模式形成的分子在脊椎動物中尚未得到明確識別。

創(chuàng)建斑馬魚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)育過程中幫助神經(jīng)細胞正確連接的蛋白質(zhì)。它最早在人類中發(fā)現(xiàn)于21號染色體，與唐氏綜合征相關(guān)。DSCAM蛋白在許多動物中存在，幫助神經(jīng)細胞形成神經(jīng)回路而不發(fā)生糾纏。斑馬魚有三個版本的該蛋白質(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絲狀足，但這些絲狀足在遇到其他紅色視錐細胞時停止生長（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(xù)生長。（右）野生型和Dscamb突變體紅球果的絲狀線伸展/收縮的時間序列動態(tài)，左圖和中圖用黃色矩形表示。

“由于 DSCAM 在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育中調(diào)節(jié)自我回避機制，我們對斑馬魚進行了遺傳修飾，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。“我們發(fā)現(xiàn)，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

在斑馬魚的光感受器分化早期，錐體光感受器通過其頂端延伸出細長的突起，稱為偽足，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(nèi)的位置進行了可視化。令人驚訝的是，Dscamb 蛋白集中分布在錐體光感受器的頂端區(qū)域，包括偽足狀突起的尖端部分。

研究人員觀察了紅錐體偽足的行為。通過動態(tài)成像，他們發(fā)現(xiàn)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中是顯而易見的。相反，在鄰近的非紅錐體中，并未觀察到這種依賴接觸的偽足收回現(xiàn)象。這一動態(tài)過程逐漸建立了同類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紅錐體后未能正常收回，反而保持附著，甚至侵入臨近紅錐體的頂端表面。這導(dǎo)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型。當一個紅錐體的偽足與另一個紅錐體接觸時，Dscamb 蛋白相互作用，觸發(fā)排斥反應(yīng)，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(yīng)，藍錐體同樣對其他藍錐體做出反應(yīng)。有趣的是，科學(xué)家發(fā)現(xiàn) Dscamb 具體調(diào)節(jié)紅錐體的間距，而藍錐體之間的相似間距機制則似乎與 Dscamb 無關(guān)。因此，Dscamb 在斑馬魚錐體馬賽克形成過程中起著識別同一紅錐體的作用。

對視覺研究的影響

“我們的計算機分析和建模證明，這種同類型細胞之間的識別與排斥機制可以解釋觀察到的錐體馬賽克模式。這標志著我們首次識別出直接調(diào)節(jié)錐體馬賽克形成的分子機制，為揭示其他脊椎動物中類似的過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(diào)。

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

雜志：Nature Communications

DOI：10.1038/s41467-025-57506-1