跨物种视网膜光感受器单细胞转录图谱揭示色觉适应的分子特征

本研究通过构建24个物种视网膜单细胞转录组图谱，系统解析了视杆细胞(rod)和视锥细胞(cone)的进化保守性与物种特异性特征。研究人员发现OPN1SW+/OPN1MW+视锥细胞富集脂肪酸代谢通路，而OPN1LW+视锥特异性表达FOXO3转录因子，揭示了色觉适应的代谢与转录调控机制。该研究为理解视网膜进化及色觉相关疾病模型选择提供了重要资源。

　　

在自然界中，从深海鱼类到灵长类动物，色觉系统展现出惊人的多样性。这种多样性主要由视网膜中的光感受器——视杆细胞(rod)和视锥细胞(cone)决定，它们通过表达不同的视蛋白(opsin)来感知不同波长的光线。然而，不同物种间色觉适应的分子机制仍不清楚，这限制了我们对人类色觉障碍疾病模型的选择。为此，Zhibin Li等研究人员在《Cell Reports》发表了突破性研究。

研究人员收集了24个物种的视网膜样本，运用单细胞RNA测序(scRNA-seq)技术构建了跨物种视网膜细胞图谱。通过机器学习算法scPred模型，他们系统分析了视杆细胞和视锥细胞的转录特征，并采用荧光原位杂交(FISH)和实时定量PCR进行验证。样本来源包括人类器官捐献者、动物市场采购的多种脊椎动物，以及实验室模式生物。

研究结果首先揭示了视网膜细胞类型的进化保守性。通过分析175,007个视网膜细胞，鉴定出8种主要细胞类型，包括视网膜神经节细胞(RGCs)、无长突细胞(ACs)、水平细胞(HCs)、双极细胞(BPs)、视锥细胞、视杆细胞、米勒胶质细胞(MG)和小胶质细胞。这些细胞类型在所有物种中都高度保守，但基因表达水平存在动态变化。例如视杆细胞标志基因RHO在蜥蜴和蝾螈中表达较弱。

在视杆细胞和视锥细胞的差异特征分析中，发现了12.72%的基因在超过15个物种中高度保守。值得注意的是，ADGRB3和NCOA2在视杆细胞和视锥细胞中共同表达，提示它们在光感受器功能维持中的核心作用。色觉分析显示，OPN1基因在哺乳动物视锥细胞中优势表达，而非经典视蛋白OPN3-5在鸟类和爬行类中更常见。人类和猴子的OPN1LW表达显著高于啮齿类动物。

研究进一步将视锥细胞分为OPN1SW⁺、OPN1MW⁺和OPN1LW⁺三种亚型。转录因子分析揭示FOXO3特异性调控OPN1LW⁺视锥细胞，RFX7和CREBBP分别调控OPN1MW⁺和OPN1SW⁺视锥细胞。代谢特征分析发现，OPN1SW⁺/OPN1MW⁺视锥细胞富集脂肪酸生物合成通路，而OPN1LW⁺视锥细胞则以脯氨酸代谢为主。这些发现通过流式分选和RT-qPCR在人和小鼠视锥细胞亚群中得到验证。

研究还构建了色觉缺陷疾病图谱，发现猴子和雪貂的基因表达谱与人类色觉障碍最为相似。例如猴子在先天性黑蒙症基因表达上与人类相关性达0.96，而猪则适合作为视网膜色素变性模型。

这项研究建立了首个跨物种视网膜单细胞转录图谱，揭示了色觉适应的分子基础。研究发现视锥细胞亚型具有独特的代谢和转录特征，其中FOXO3-OPN1LW轴和脂肪酸代谢通路是色觉调控的关键节点。这些发现不仅深化了对视网膜进化的理解，还为色觉相关疾病研究提供了模型选择依据。该研究的局限性包括线粒体基因检测缺失和空间转录信息的不足，这为未来研究指明了方向。