南昌大学研究成果,登上《Science》封面

人类的三色视觉依赖于分别携带长波、中波、短波敏感视蛋白（简称LWS 视蛋白、MWS视蛋白、SWS视蛋白）的视锥感光色素；与之相对，极低光照环境下的视觉功能由视杆感光色素——视紫红质介导。

所有这类感光色素都共用一种源自维生素A的发色团：11 - 顺式视黄醛。它通过希夫碱共价键与每种视蛋白结合，形成的感光色素具有特征性的最大吸收波长：SWS 视蛋白约 420 nm、MWS 视蛋白 530 nm、LWS 视蛋白 560 nm、视紫红质 500 nm。

吸收光子后，视黄醛发生异构化，转变为具有激动活性的全反式构象，驱动视蛋白进入激活态并与 G 蛋白偶联，由此启动下游光信号级联反应。

为解析人类LWS、MWS、SWS 视蛋白激活态的三维结构，研究将每种视蛋白与异源三聚体 Gi 蛋白结合，加入激动剂全反式视黄醛共同孵育，再通过冷冻电镜（cryo-EM）解析复合物结构：LWS 视蛋白 - Gi 复合物整体分辨率为 3.35 Å，MWS 视蛋白 - Gi 复合物为 2.48 Å，SWS 视蛋白 - Gi 复合物为 2.61 Å。

激活态视锥视蛋白 - Gi 复合物的冷冻电镜结构呈现出差异化的分子特征：

三种视锥视蛋白均具有保守的七次跨膜螺旋（TM1~TM7）核心骨架，整体架构与视紫红质相近；但 LWS 与 MWS 视蛋白在激活态下，以跨膜螺旋 2（TM2）上的 E102²・⁵³（第 102 位、GPCR 通用残基编号 2.53 的谷氨酸残基）作为希夫碱的反离子。

这一机制与另外两类蛋白存在差异：视紫红质以胞外环 2（ECL2）上的 E181^ECL2 作为激活态反离子，而本研究证实 SWS 视蛋白则利用同区域的 E178^ECL2 行使该功能。

结构分析显示，SWS 视蛋白的希夫碱周围存在富含丝氨酸的极性微环境，既有助于稳定蛋白激活态，也是 SWS 视蛋白吸收光谱蓝移的部分成因。

此外，SWS 视蛋白的 TM2 与 TM7 之间还存在一条额外的二硫键，既形成了结构约束，也在希夫碱附近扩张出含水空腔 —— 这些特征在其他视觉视蛋白中均未发现。

本次解析的冷冻电镜结构明确了调控视锥视蛋白稳定性与生理功能的关键结构决定因素，精细阐释了其作用模式。该研究为后续视锥视蛋白的功能与动态变化研究奠定了结构基础，也为理解视杆、视锥的光信号转导分子机制提供了框架，同时为多种视锥相关视觉疾病的结构病因探索提供了初步依据。