眼非视觉功能在生物感磁过程中的作用

宋思佳 覃思颖 综述 洪颖 张纯 审校

1北京大学第三医院眼科100191；2北京大学生命科学学院100871；3北京大学干细胞研究中心 100191

眼是人和动物利用光感知外界事物的视觉器官。眼非视觉功能是指眼除了传递视觉信息之外的功能，例如调节昼夜节律以及其相关的瞳孔舒缩、情绪变化等生理过程，还包含参与生物感磁的过程[1]。生物感磁是指生物具备感应周围磁场的能力。生物可通过周围磁场，主要是地磁场，获取方向、位置信息，从而迁徙至更利于自身生存繁衍的环境。关于生物感磁行为的研究已有50余年的历史，从低等细菌到人类，许多生物存在与磁场相关的生理活动[2-5]，生物感磁机制的研究随之而至。近年来研究者发现蓝光与生物感磁的相关性，从迁徙鸟类视网膜中发现的蓝光受体蛋白隐花色素(cryptochrome，Cry)成为最可能的磁受体[6]。本文就Cry介导的眼非视觉功能在生物感磁过程中的作用进行综述。

1 眼非视觉功能

1.1 昼夜节律的调节

昼夜节律是指生物与昼夜交替同步的周期性生命活动，例如睡眠周期、激素水平等。光照是形成昼夜节律最关键的因素。近年来，研究者们在视网膜结构上发现了内部感光视网膜神经节细胞(intrinsically photosensitive retinal ganglion cells，ipRGCs)[7]。人类ipRGCs占视网膜神经节细胞的0.2%，且绝大多数位于视网膜的中央部，ipRGCs发出神经纤维到达昼夜节律调节中枢——视交叉上核，以此参与生物昼夜节律的调节[1，8]。Purrier[9]等研究发现，消除小鼠ipRGCs传递的神经递质后，小鼠的昼夜节律发生了显著变化。ipRGCs比普通视网膜神经节细胞具有更强的抗压性，在高眼压小鼠模型中较晚出现凋亡，形成了通过诱导ipRGCs传递视觉信号治疗青光眼的新思路[10]。研究发现，除了调节昼夜节律外，ipRGCs还介导瞳孔舒缩、情绪变化的过程[1，11-13]。Ostrin等[14]研究表明，ipRGCs数量减少后，瞳孔的基线直径会增大，瞳孔缩小的幅度会降低。晚期青光眼会出现继发性的ipRGCs数量减少，这些患者也表现出瞳孔反射障碍和昼夜节律异常[15]。徐金华等[16]发现光照节律的改变会导致大鼠视网膜萎缩变薄，视网膜光感受器细胞出现溶解、空泡等改变。

1.2 生物感磁

生物感磁行为最早在1963年发现，Bellini描述了趋磁细菌可通过地磁场获取方向信息，产生定向下移，从而到达更适宜生存的微氧环境。自此，从海洋生物到陆地生物昆虫类、哺乳类生物的感磁能力逐渐被行为学研究证实[2-5]。人类感磁的行为学研究较少，但一些研究也证实了人类导航行为可能受到磁场的影响。Baker等[17]通过指路实验，发现人类头戴磁铁后指认方向的准确性大大降低；Wang等[18]实验证实，人在静止状态占优势的脑电波是α波，在屏蔽无关的电磁干扰以及声音、触觉等信号刺激后，当外界磁场发生变化时，α波的振幅会下降，且该实验具有良好的可重复性。但是到目前为止，除了在趋磁细菌体内发现趋磁小体外[19]，还没有确切的证据证明任何一种动物体内存在感磁的器官。

2 生物感磁过程的机制假说

眼非视觉功能参与生物感磁的假说有2种，分别是基于化学反应和自由基对的磁感应假说[20]，以及光磁耦合的生物指南针假说[21]，提出了2种生物体内感磁受体的模型。

2.1 基于化学反应和自由基对的磁感应假说

基于化学反应和自由基对的磁感应假说提出，Cry是生物感磁的关键分子。1979年研究者在隐花植物中发现Cry，主要作用是感受蓝光，之后Cry被发现广泛存在于各种生物体内，与动植物的生物节律相关[6]。Cry和磁场的相关性最早在拟南芥生长实验中被发现，Ahmad等[22]实验表明，在蓝光照射下，磁场强度增强，野生型的拟南芥表现为生长抑制作用，而在红光照射下并不表现出抑制作用。且在Cry基因敲除的拟南芥中，蓝光照射下磁场强度的增加没有生长抑制作用。最早关于动物Cry和磁场的相关性研究是Wiltschko等[23-24]发现欧洲知更鸟在蓝光波长区域内表现出更好的方向性，而在黄光波长区域出现方向迷失的行为。这个现象提示感受蓝光和感磁具有相关性，蓝光受体蛋白Cry是最可能的磁受体分子。研究者认为生物体内存在的感磁系统是独立于视觉传导之外的系统，但与视觉传导共用视网膜。

2.1.1Cry的结构及其在眼内的分布 Cry蛋白结构包括2个功能区，即氨基端和羧基端，在氨基端光裂解酶相关区域存在一腔隙，包裹着可以进行电子传递的基团——黄素腺嘌呤二核苷酸(flavin adenine dinucleotide，FAD)，FAD与Cry分子之间为非共价结合。在Cry分子内部，存在3个高度保守的色氨酸(tryptophan，Trp)，即TrpA、TrpB和TrpC，三者排列成链状，并称为色氨酸三联子。TrpC与FAD距离最近，可实现Trp和Cry之间的电子传递[25-31]。

在有视觉器官的动物体内，Cry在多个器官组织中表达，其中包括视网膜[32]。Cry通常包括多种亚型，其中一些亚型表达具有节律性，与生物节律相关，与感磁相关的Cry通常是其中的一种[33-35]。在视网膜上，Cry在视网膜多个层次中均有表达，尤其在视网膜神经节细胞中呈现高表达。Cry亚型的含量在不同物种间有明显区别。Mouritsen等[36]通过染色迁徙鸟类和非迁徙鸟类的视网膜发现，两者Cry1的表达含量有显著区别。Thompson等[37]通过实时荧光定量PCR对人视网膜Cry1和Cry2的mRNA进行定量，发现Cry2的mRNA表达量是Cry1的11倍，通过免疫组织化学法检测发现人Cry2在神经节细胞层和内核层高表达，且在细胞质和细胞核中均有表达。人的Cry基因序列与低等动植物的Cry基因序列高度相似，Gegear等[38]将人的Cry2基因植入Cry基因敲除的果蝇体内，果蝇可以恢复原有的磁感应能力，这个实验在基因水平上证明Cry与生物感磁相关。Bazalova等[39]通过基因表达沉默的方式阻止了蟑螂的Cry2 RNA表达，蟑螂的方向性显著降低。

2.1.2Cry介导的磁感应过程 根据量子力学原理，光激发的电子转移反应可以产生自由基对，Cry分子内部的Trp及结合基团FAD发生反应，其过程如图1。自由基对中的2个电子均处于单重态，单重态电子的旋转逐渐受到原子核自旋以及周围磁场的影响，发生自旋排列的改变。在一些情况下，初始单重态通过电子自旋和核自旋的超精细相互作用可以耦合成简并三重态，这2种状态存在的概率是不等的。假设单重态与三重态会引起下游化学反应产生不同的化学产物，那么根据不同的产物，生物便能感受到磁场的变化[26,40]。即使磁场强度很低时，因为自由基本身处于十分不稳定的状态，磁场依然可以影响上述过程[41-42]。

图1 自由基对的形成[26] FAD在黑暗中是氧化稳定态，其在吸收蓝光或近紫外光后，激发成单电子激发态(FAD*)，需要接受Cry分子内色氨酸(Trp)的电子实现还原反应，电子的转移形成了自由基对注：FAD：黄素腺嘌呤二核苷酸；Trp：色氨酸

以上假说构建了光激发下的自由基对模型，通过不稳定的中间态可以感知较弱的地磁场信号，解释了生物在外界磁场变化时方向性行为也随之改变的现象。该假说的基础之一是激发光为蓝绿光波段，但是也有研究表明，FAD在不同Cry中吸收光谱无明显差异，意味着可能存在其他的因子辅助识别蓝绿光波段[43]。

2.2 光磁耦合的生物指南针假说

基于化学反应和自由基对的磁感应假说具有一定的局限性，它仅能解释生物可以获取磁场信号，但不能解释如何获取更详细方向信息。有研究认为，当自由基对自旋相干达数微秒以上时，会产生一个尖锐的峰值信号，峰值信号使得迁徙鸟类不断调整方向[44]。另一种研究即光磁耦合的生物指南针假说，该假说提出了另一种位于视网膜的重要蛋白质——磁受体蛋白(magnetoreceptor，MagR)，Cry与MagR形成棒状、具有磁性的多聚复合体结构，揭示了外界磁场改变引起生物体内分子水平的变化，该假说进一步完善了眼非视觉功能在生物感磁过程中的作用机制。

Cry/MagR分子指南针是由Cry和MagR经过多聚反应形成的棒状小体。多个MagR分子线性排列形成棒状小体的内核，多个Cry分子在MagR内核的外围螺旋排列，形成棒状小体的外壳。目前在电子显微镜下观察到，体外条件下Cry可以与MagR发生聚合反应，形成棒状、具有磁性的Cry/MagR复合体，当外界磁场方向变化时，棒状的复合体也会发生指向的变化。在体内条件，原鸽的视网膜免疫组织化学染色结果提示，鸽子的Cry和MagR在视网膜的不同层次中呈现不同程度的表达；但在视网膜的神经节细胞层、内核层和外核层3个层次中，Cry和MagR共定位且高强度表达，其中神经节细胞层的共定位现象最明显[21]。共定位现象提示在体内条件下，视网膜上可能也存在Cry/MagR复合体，传递外界磁场方向信息。

光磁耦合的生物指南针假说解释了生物产生方向感的原因，且研究者成功地在体外观察到了Cry/MagR复合体及其内在磁性。虽然在体内实验中证明了Cry和MagR共定位于视网膜，但是体内条件下Cry和MagR是否能够形成复合体，以及复合体是否仍具有磁性，需要进一步的探讨。

3 眼非视觉功能在生物感磁过程中可能的作用机制

综上所述，以上2个假说均认为视网膜上的分子可能是生物感磁的受体蛋白，这提示眼可能是生物感磁的器官。光线和磁场的变化通过自由基电子自旋方式的改变影响了视网膜上Cry的分子结构，进一步产生不同的化学产物；或者光信号和磁信号通过某种方式的耦合，影响了视网膜上Cry/MagR复合体的形成和指向。这些视网膜上的改变再通过某种途径传输至大脑，从而产生方向感。

眼非视觉功能的研究具有广阔的前景，一方面，体外条件下Cry/MagR多聚复合体呈现棒状结构，并在外加旋转磁场中发生同步变化，提示生物蛋白Cry/MagR可以作为新的磁敏材料运用在材料工程、生物医学、物理学等领域，带来新的技术创新，例如磁场控制药物载体、肿瘤靶向治疗、磁性生物传感器的研究开发等；另一方面，磁场信息通过视网膜分子的结构变化传入大脑，提示眼脑之间存在新的连接通路。新的连接通路可能成为检测视觉通路的新方法，例如青光眼、糖尿病视网膜病变等病变早期出现视觉通路损害时，或者脑肿瘤患者出现视觉障碍时，通过检测感磁功能，可以为眼病和脑病的诊断提供线索；同时，新通路在治疗视觉通路受损的神经眼科疾病方面可能成为新的靶点，它可能代替原有的通路传递视觉信息，为低视力患者恢复视力或者研发低视力辅助设备提供可能性。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突