哈佛大学 佛罗里达迈阿密蒙哥马利植物园，一只正在采集花蜜的猫
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对于一只熊、一只蜜蜂、一只蝴蝶和人类来说，一块花坛的颜色看起来完全不同
看到这些颜色的能力是由视蛋白的特殊性质产生的，视蛋白是我们眼睛视网膜中的光敏蛋白质
视蛋白表达的数量和受体蛋白的分子结构决定了我们看到的颜色
在2月9日发表在《美国国家科学院院刊》上的一篇论文中，哈佛大学领导的一组研究人员开发了一种新方法，在体外表达长波长无脊椎动物视蛋白，并详细描述了标志性的热带灰蝶(Eumaeus atala)视蛋白的红移(长波长)和蓝移(短波长)分子结构
由哈佛大学生物与进化生物学系博士后马乔里·里纳德和内奥米·皮尔斯教授、华盛顿大学名誉副研究员加里·伯纳德和布罗德研究所的张峰教授领导的这项研究发现了以前未知的视蛋白，这些视蛋白在尤马厄斯·阿塔拉的视觉系统中导致红移长波长敏感性
通过这种方法，研究人员可以精确定位负责这些视觉蛋白质光谱调节的特定碱基对变化，并揭示视觉基因是如何进化的
除了灵长类动物，生活在陆地上的动物很少能感知长波长的橙色和红色光
然而，研究人员早就知道，某些蝴蝶有红光感光细胞，并且偏爱在红色花朵上采集花蜜
人眼的视觉范围通常为380纳米至700纳米，但许多昆虫可以感知400纳米以下的较短波长的紫外光，它们有时会将这些较短波长的紫外光用作相互通信的“私人通道”
许多花也利用这种紫外反射来吸引蜜蜂、苍蝇和蝴蝶等传粉昆虫并发出奖励信号
考虑到颜色引导行为的重要性和在昆虫中观察到的显著的光感受器光谱多样性，跨谱系发现的动态视蛋白基因多样性突出了它们在适应中的核心作用
昆虫是探索感光细胞进化动力学的理想系统；许多昆虫的行为是由颜色引导的(例如
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研究人员知道昆虫的光谱敏感度有显著差异
然而，缺乏一套工具来让研究人员探索昆虫视觉的分子细节
为了做到这一点，研究人员需要一种工具来分离和表达特定的昆虫视蛋白基因，以探索其在细胞培养的细胞膜中表达时的结构和功能，这是一种“异源表达系统”
以前这种方法被用来分析一些对较短波长敏感的昆虫视蛋白，但是编码较长波长的视蛋白被证明是难以处理的，导致研究人员推测这些视蛋白太不稳定，不能在细胞膜上表达
“由于在体外表达长波长无脊椎视蛋白的困难，我们对视蛋白光谱敏感性功能转移的分子基础的理解主要偏向于脊椎动物的研究，”李纳德说
李纳德等人的研究提供了准确理解视蛋白中单个氨基酸变化如何改变昆虫所见的工具，并开启了区分昆虫光谱调谐和视觉适应背后的基因型-表型关系的能力
蓝色和长波长红移视视蛋白在整个眼睛中表达，但在单个小眼的不同感光细胞中表达，如这里使用双荧光原位杂交所示
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伦德大学里纳德
皮尔斯说:“一旦我们了解了构成昆虫眼睛中光敏视蛋白的基因是如何发挥作用的，我们就可以开始追溯无脊椎动物适应性色觉的进化过程。”
李纳德在体外表达无脊椎动物视蛋白蛋白方面取得了重大突破，优化了每一步——设计工程盒、优化基因表达和适当放大
李纳德的新系统可用于研究视蛋白，其灵敏度范围从紫外到红色长波，接近近红外
它可以探索这些视蛋白的行为，而不受其他眼睛成分的干扰，如通常围绕感光细胞的过滤色素
皮尔斯说:“一旦我们了解了构成昆虫眼睛中光敏视蛋白的基因是如何发挥作用的，我们就可以开始追溯跨谱系适应性色觉的进化转变。”
研究人员对多种蝴蝶的所有视觉视蛋白基因进行了体外表征和纯化
然后，他们分析了视蛋白分子在眼肌中表达的感光细胞
他们在不同视蛋白中寻找一致的碱基对变化模式，然后实验性地改变这些视蛋白的序列，以测试它们的进化光谱调谐轨迹
他们发现了一种吸收红光的新型视蛋白，并确定了进化绿移蓝视蛋白功能的关键氨基酸
灰蝶以其丰富多样的翅膀颜色和行为生态而闻名
与被认为只有一个蓝色和一个绿色受体的祖先昆虫眼睛相比，由于新视蛋白功能的适应性进化，这些蝴蝶能够在蓝绿色和绿红色光谱范围内保持可靠的色觉
绿色和红色视蛋白的协调光谱移动是这些蝴蝶红色视觉的遗传基础
该研究还令人惊讶地表明，与脊椎动物相比，依赖于视蛋白G蛋白偶联受体的不同亚类的昆虫，仍然通过将蛋白结合口袋中的一些相同的关键氨基酸残基转换成脊椎动物的短波长视蛋白来改变蓝色视蛋白的吸收
“但我们也发现了新的调谐位点，”李纳德说，“现在的问题是发色团结合位点是否是这种蝴蝶物种特有的，或者它们是否作为跨昆虫趋同适应性进化的标志而反复出现。”
" 伯纳德说:“色觉是由不同光谱敏感度的光感受器之间的神经比较驱动的。”
“但是研究活体眼睛是一项乏味的任务，获得足够数量的活体进行测量也是一个限制因素
" 现在是瑞典隆德大学的研究员里纳德同意这一观点，“这就是为什么协调生理学和功能性异源表达在该领域开辟了新的途径，特别是因为所有无脊椎动物群体共享相同的视蛋白亚类
我们希望这种分析能对无脊椎动物视蛋白的功能研究进行“去啡化”
" “最终，这为更好地理解光敏受体的结构-功能关系提供了机会，”皮尔斯说，“最重要的是，基因型变异如何转化为功能表型，这是进化生物学的基石。”
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