视蛋白 4； OPN4
黑色素
HGNC 批准的基因符号：OPN4
细胞遗传学位置：10q23.2 基因组坐标（GRCh38）：10:86,654,547-86,666,460（来自 NCBI）
▼ 克隆与表达
普罗文西奥等人（2000） 使用鸡黑视蛋白 cDNA 片段分离出人 OPN4 基因组克隆。利用 PCR 和 RACE，他们从视网膜获得了全长 2.3 kb OPN4 cDNA。普罗文西奥等人（2000） 使用人 OPN4 序列分离了 小鼠黑视蛋白 cDNA，其与预测的跨膜和环域内的人 OPN4 cDNA 序列具有 86% 的同一性。然而，人和小鼠OPN4的细胞质和细胞外尾部在序列和长度上显着不同。
▼ 基因功能
Provencio 等人使用 RT-PCR 调查 26 个人体解剖部位（2000） 仅在眼睛中检测到 OPN4 表达。通过原位杂交组织化学，Provencio 等人（2000） 检测到 OPN4 表达仅限于灵长类动物和鼠类视网膜神经节和无长突细胞层内的少数细胞。普罗文西奥等人（2000） 得出结论，黑视蛋白独特的视网膜内部定位表明 OPN4 可能介导非视觉感光任务，例如昼夜节律的调节和松果体褪黑激素的急性抑制。
普罗文西奥等人（2002） 使用抗黑视蛋白的抗体来鉴定视网膜神经节细胞的一个子集，这些细胞在形态上类似于投射到视交叉上核（主要昼夜节律起搏器的位置）的神经节细胞。结果表明，这种双层感光网络在解剖学上与外视网膜的杆状和锥状感光器不同，并且表明它可能介导非视觉感光任务，例如昼夜节律的调节。普罗文西奥等人（2002）得出的结论是，这种光感受系统可以解释为什么昼夜节律的光诱导被双侧剜除所消除，但在缺乏视杆细胞和视锥细胞的小鼠中仍然存在。
Hattar 等人通过克隆大鼠黑视蛋白并产生特异性抗体（2002）证明黑视蛋白存在于大鼠视网膜神经节细胞子集的细胞体、树突和近端轴突节段中。在针对黑视蛋白基因座的 tau-lacZ 杂合子小鼠中，β-半乳糖苷酶阳性的视网膜神经节细胞轴突投射到视交叉上核和其他参与昼夜节律光诱导或瞳孔光反射的脑核。表现出内在光敏性的大鼠视网膜神经节细胞总是表达黑视蛋白。哈塔尔等人（2002）得出的结论是，黑视蛋白很可能是光转导视网膜神经节细胞的视觉色素，它设定生物钟并启动其他非图像形成视觉功能。
伯森等人（2002）证明支配视交叉上核的视网膜神经节细胞本质上是光敏的。与其他神经节细胞不同，即使来自视杆细胞和视锥细胞的所有突触输入都被阻挡，它们也会对光做出反应去极化。这种光响应的灵敏度、光谱调谐和慢动力学与光夹带机制相匹配，表明这些神经节细胞可能是该系统的主要感光细胞。
熊猫等人（2005） 发现爪蟾卵母细胞中黑视蛋白的表达导致通过 G-α（q）/G-α（11） G 蛋白途径的光依赖性膜电流激活，其作用谱与表达黑视蛋白的作用谱密切匹配本质上感光的视网膜神经节细胞以及缺乏视杆细胞和视锥细胞的小鼠对光的行为反应。当与视紫红质抑制蛋白（181031） 共表达时，黑视蛋白可以使用全反式视黄醛作为发色团，这表明它可能充当双反应性视蛋白。熊猫等人（2005） 还发现黑视蛋白可以激活阳离子通道 TRPC3（602345），它是果蝇光转导通道 trp 和 trpl 的哺乳动物同源物。熊猫等人（2005） 得出的结论是，黑视蛋白信号更像无脊椎动物视蛋白，而不是经典的脊椎动物视杆细胞和视锥细胞视蛋白。
梅利安等人（2005）表明人黑视蛋白在小鼠旁神经元细胞系中的异源表达足以使这些细胞具有感光能力。在这种条件下，黑视蛋白充当感觉感光色素，通过 G 蛋白信号级联与天然离子通道耦合，以驱动生理光检测。黑视蛋白光响应依赖于视黄醛顺式异构体的存在，并且对短波长光选择性敏感。梅利安等人（2005） 还提供了证据表明黑视蛋白在该系统中充当双稳态色素，具有内在的光异构酶再生功能，可色移至更长的波长。
为了确定黑视蛋白是否是一种功能性感觉感光色素，Qiu 等人（2005） 在稳定表达 TRPC3（602345） 通道的 HEK293 细胞中瞬时表达它。光引发这些细胞的膜去极化并增加细胞内的钙。光响应类似于本质上感光的视网膜神经节细胞，具有几乎相同的光谱灵敏度（最大 lambda 等于约 479 nm）。光转导途径包括 Gq（600998） 或相关 G 蛋白、磷脂酶 C（参见 600810）和 TRPC3 通道。邱等人（2005）得出结论，哺乳动物黑视蛋白是一种功能性感觉感光色素，它是神经节细胞感光器的感光色素，并且这些感光器可能使用类似无脊椎动物的光转导级联。
达西等人（2005）描述了一个解剖学上不同的“巨人”群体。灵长类视网膜中表达黑视蛋白的神经节细胞，除了本身具有光敏性外，还被视杆细胞和视锥细胞强烈激活，并显示出罕见的、短时的、（长+中）开启类型的颜色对手感受野。固有的、视杆细胞和（长+中）视锥细胞衍生的光响应在这些巨细胞中结合起来，在人类视觉的整个动态范围内发出辐照度信号。根据基于锥体的颜色对立，巨细胞投射到外侧膝状核，丘脑中继到初级视觉皮层。因此，达西等人（2005）得出的结论是，在昼夜三色灵长类动物中，非图像形成和传统图像形成的视网膜通路被合并，基于黑视蛋白的信号可能有助于有意识的视觉感知。
做等人（2009） 报道了控制光响应和固有光敏视网膜神经节细胞（ipRGC） 相关尖峰生成的基本参数，该细胞使用黑视蛋白作为色素。黑视蛋白的膜密度比杆状和锥状色素的膜密度低 10（4） 倍，导致光子捕获量非常低，并且仅在相对明亮的光线下发挥光转导作用。尽管如此，每个捕获的光子都会引起大量且非常长时间的响应，并且在已知的光感受器中具有独特的形状。值得注意的是，像杆一样，这些细胞能够发出单光子吸收信号。视网膜中数百个异构化黑视蛋白分子引起的闪光足以达到瞳孔对光反射的阈值。
薛等人（2011） 报道称，瞳孔光反射（PLR） 的内在成分在夜间和黄昏哺乳动物中广泛存在。在 s 中，这种内在的 PLR 需要视觉色素黑视蛋白；它还需要 PLC-β-4（600810），它是果蝇 NorpA 磷脂酶 C 的脊椎动物同源物，可介导弹状体光转导。 Plcb4 -/- 基因型除了消除固有的 PLR 之外，还从本质上消除了表达黑视蛋白的固有光敏视网膜神经节细胞（M1-ipRGC） 的 M1 亚型的固有光响应，M1-ipRGC 是迄今为止最光敏的 ipRGC 亚型并且对光的反应也最大。在小鼠中消除 TRP 通道超家族成员 TRPC6（603652） 和 TRPC7（603749） 的表达也基本上消除了 M1-ipRGC 光响应，但内在 PLR 不受影响。因此，薛等人（2011） 得出结论，黑视蛋白信号传导存在于虹膜和视网膜中，涉及 PLC-β-4 介导的途径，但在这两个位置存在分歧。
在 论文中，Rao 等人（2013） 发现了一种光反应途径，可以调节胚胎玻璃体脉管系统的退化和视网膜脉管系统的形成。拉奥等人（2013） 表明，在 Opn4 基因突变的小鼠中，或者从妊娠晚期开始黑暗饲养的小鼠中，玻璃体血管在产后 8 天持续存在，并且视网膜血管系统过度生长。拉奥等人（2013） 提供的证据表明，这些血管异常可以通过抑制视网膜神经元数量、限制缺氧的光反应途径来解释，从而抑制 VEGFA（192240） 的局部表达。拉奥等人（2013） 还表明，该途径的光反应发生在妊娠晚期，即胚胎第 16 天左右，并且需要胎儿而不是母亲的感光色素。测量结果表明，内脏腔光子通量可能足以激活小鼠胎儿中表达黑视蛋白的视网膜神经节细胞。拉奥等人（2013） 得出的结论是，光作为成熟眼睛功能的刺激物，通过调节视网膜神经元数量并启动一系列最终形成眼部血管的事件，对于眼睛的视力准备也至关重要。
▼ 基因结构
通过比较基因组序列与 cDNA 序列，Provencio 等人（2000） 得出结论，OPN4 由分布在 11.8 kb 上的 10 个外显子编码。普罗文西奥等人（2000） 指出 OPN4 的基因结构在脊椎动物视蛋白中是独特的。
▼ 测绘
Provencio 等人使用辐射混合面板（2000） 将 OPN4 基因对应到染色体 10q22。
▼ 动物模型
卢卡斯等人（2003） 由 Hattar 等人培育的动物（2002） 纯合性产生黑视蛋白基因被 tau-LacZ 编码序列取代的小鼠。虽然通常表达黑视蛋白的视网膜神经节细胞仍然存在于这些动物中，但它们不再具有本质上的感光性，尽管它们的数量、形态和投影没有改变。 Opn4 -/- 小鼠在低辐照度下表现出与野生型小鼠没有区别的瞳孔光反射，但在高辐照度下，反射不完整，这种模式表明黑视蛋白相关系统和经典的视杆/视锥系统在功能上是互补的。
鲁比等人（2002） 产生了黑视蛋白敲除小鼠。这些小鼠进入光/暗循环，在光脉冲后发生相移，并在光强度增加时增加昼夜节律周期。在夜间光脉冲后，在野生型和基因敲除小鼠中观察到立即早期基因 c-fos（164810） 的诱导。然而，基因敲除小鼠的这些行为反应的强度比野生型小鼠低 40%。尽管黑视蛋白对于生物钟接收光输入并不是必需的，但它对光反应的强度有显着贡献。
熊猫等人（2002） 孤立生成黑视蛋白敲除小鼠。小鼠进入光/暗循环，在持续黑暗的情况下，昼夜节律活动节律没有表现出任何明显的缺陷。然而，它们响应单色光的短暂脉冲而表现出严重减弱的相位重置，突出了黑视蛋白在哺乳动物昼夜节律光诱导中的关键作用。
哈塔尔等人（2003） 研究了除了视杆细胞和黑视蛋白之外的感光系统是否参与瞳孔反射、光诱导的生物钟相位延迟以及恒定光下昼夜节律的周期延长。 Hattar 等人使用缺乏视杆细胞和视锥细胞的小鼠（2003） 测量了运动行为昼夜节律相移的动作谱。该光谱与相同基因型小鼠的瞳孔光反射以及表达黑视蛋白的视网膜神经节细胞的固有光敏性相匹配。哈塔尔等人（2003） 还产生了三重基因敲除小鼠（Gnat、139330、Cnga3、600053 和 Opn4），其中视杆细胞和黑视蛋白系统均被沉默。这些动物具有完整的视网膜，但未能表现出任何显着的瞳孔反射、明/暗循环，以及对光的任何遮蔽反应。因此，哈塔尔等人（2003） 得出的结论是，视杆细胞和黑视蛋白系统似乎一起为这些辅助视觉功能提供了所有的光输入。
熊猫等人（2003） 观察到，同时患有外层视网膜变性和黑视蛋白缺乏的小鼠表现出昼夜节律振荡器的光夹带、瞳孔光反应、芳基烷基胺-N-乙酰转移酶转录物的光抑制以及光对运动活性的急性抑制的完全丧失。熊猫等人（2003） 得出的结论是，这些观察表明非视觉和经典视觉感光系统对于哺乳动物非视觉光反应的重要性。
为了确定含有黑视蛋白的本质光敏视网膜神经节细胞（ipRGC）如何传递杆锥光信息以实现成像和非成像功能，Guler 等人（2008） 对小鼠进行基因消除 ipRGC。作者表明，缺乏 ipRGC 的动物保留了模式视觉，但在瞳孔光反射（PLR） 和昼夜节律光诱导方面都有缺陷，比黑视蛋白敲除中观察到的缺陷更广泛。 PLR 和光夹带的缺陷类似于在所有 3 类光感受器中缺乏光转导的动物中观察到的缺陷。古勒等人（2008）得出的结论是，用于辐照度检测的光信号在视网膜神经节细胞水平上与图案视觉分离，并且无法检测非图像形成功能的光的动物仍然能够形成图像。
莱盖茨等人（2012） 证明异常光通过表达黑视蛋白的神经元直接损害情绪和学习。异常的光照周期，即 3.5 小时光照到 3.5 小时黑暗，也称为 T7 光照，既不会改变睡眠量和结构，也不会导致昼夜节律系统发生变化。暴露于异常光周期的动物维持每日皮质酮节律，但皮质酮的总体水平有所增加。尽管昼夜节律和睡眠结构正常，这些动物表现出抑郁样行为增加，海马长期增强和学习能力受损。服用抗抑郁药物氟西汀或地昔帕明可以恢复暴露于异常光周期的小鼠的学习能力，这表明情绪缺陷先于学习障碍发生。为了确定这种情绪和学习障碍背后的视网膜回路，LeGates 等人（2012） 研究了这种光周期对缺乏表达黑视蛋白的本质光敏视网膜神经节细胞的动物的行为后果。在这些动物中，尽管存在传统的视网膜神经节细胞并且这些动物具有检测光以形成图像的能力，但异常的光周期并没有损害情绪和学习能力。莱盖茨等人（2012） 得出的结论是，这些发现证明了光能够通过本质上感光的视网膜神经节细胞直接影响认知和情绪功能。
