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摘 要：黑视蛋白具有感光特性，能够感知外界光谱并引起自身节律调控系统进行相应的调整。该蛋白在鱼类眼部及脑部均有分布且其分子的存在形式具有多样性，并在多种生理途径如胚胎发育、光动反应、警觉反应及激素分泌等过程中起到重要的上游调控作用。该文主要介绍了黑视蛋白的分子结构组成，分析了黑视蛋白的感光过程，并对该蛋白在鱼类中的分部位点及表现形式和对鱼类的主要影响方面进行了归纳总结。黑视蛋白在多种生理途径中的广泛影响，为其在鱼类养殖中通过添加的方式来达到提高养殖效益目的提供了可能性。
关键词：黑视蛋白;节律调控;激素分泌;胚胎发育
中图分类号 S965.3 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2021）17-0096-04
The Study Progress of Melanopsin in Fishes
HAN Mingming1 et al.
（1Institute of Hydrobiology， Zhejiang Academy of Agricultural Sciences， Hangzhou 310021， China）
Abstract： Melanopsin is photosensitive， which could capture the photon and entrain the adjustment of the rhythm system. This opsin distributes both in the retina and the brain in fishes with diverse molecular forms. It plays an important role in upstream regulation in the multiple processes like embryo development， photomotor response， alertness responses and endocrine. We gave an introduction of the molecular structure and its composition， described its pathway of photosensitivity and gave an overview of its distribution， molecular forms and primary areas it woks in fishes. The extensive influences of melanopsin in various physical areas provide the possibility to increase the benefit in fish culture by adding the product of melanopsin.
Key words： Melanopsin; Rhythm regulation; Endocrine; Embryo development
自20世纪90年代末黑视蛋白首次被发现以来，学者们进行了大量的研究，其文章发表量逐年增加，据Pubmed数据库统计至2018年已达90篇。目前现有的综述性文章主要是关于人类及其他哺乳类动物的研究[1-7]，尽管在硬骨鱼上关于黑视蛋白也有大量的试验发现，如斑马鱼[8，9]、穴居鱼类安氏坑鱼（Phreatichthys andruzzii）[10]、大西洋鳕鱼（Gadus morhua，Linnaeus，1758）[11]、大西洋鳙鲽中[12]和热带蓝魔（Chrysiptera cyanea）等[13]，但尚无该蛋白对鱼类的影响途径和作用范围的归纳性文章出现。为此，本文依据目前黑视蛋白在鱼类中的研究发现，对该蛋白的分子特性、作用本质及参与的生理途径进行系统性总结。
1 分子结构组成
黑视蛋白（melanopsin）是一类广泛存在于脊椎动物中的G蛋白结合受体[14]，本质上是由7个跨膜结构组成的单肽链。与其他视蛋白相同之处在于第7螺旋336位点的赖氨酸分子与感光基团11-顺视黄醛相连[15]，不同之处在于黑视蛋白与其他视蛋白只有27%的氨基酸同源性[16]。另外，连接第5和6螺旋的胞质环区域在结合G蛋白后被激活，该区域在视锥、视杆细胞和P类视蛋白中均高度保守，相似度高达40%，而在黑视蛋白中相似度仅有7%，并且不同物种间相似性也存在差异。例如，鼠類与兔之间相似度达96%，但是啮齿类和人类之间仅有48%的相似性，而在蟾蜍和鸡中相似度达84%[16]。
2 分布位点与表现形式
黑视蛋白首次发现于非洲爪蟾（Xenopus laevis）中[14]，在哺乳动物中黑视蛋白只存在于视网膜上，其中在人类视网膜上不到1%的神经节细胞能表达黑视蛋白[17]，并且只有单一的opn4表达形式。在非哺乳动物中黑视蛋白有2类不同的表现形式，分别是类哺乳动物（opn4m）和类爪蟾（opn4x）两大类别[18]。硬骨鱼类的眼部和脑部均有黑视蛋白分布，并且分部位点和分子形式均具有多样性特点。例如，斑马鱼（Danio rerio）视网膜的内核层的多处部位均检测到黑视蛋白[19]，并且有5种分子形式，分别为opn4a、opn4b、opn4xa、opn4xb和opn4.1。其中，opn4xb仅在内核层的双极细胞处存在表达，opn4a在内核层分散表达，opn4xb、opn4a和opn4b在部分内核层区域共表达。另外，opn4b在靠近无长突细胞和水平细胞的区域也存在的明显表达现象，而opn4.1则分布在内核层最外缘靠近水平细胞和感光细胞的区域[8]。
在硬骨鱼类脑部的不同部位同样发现黑视蛋白的表达现象，并且早在视网膜尚没有发育完全的胚胎期就已经开始表达。斑马鱼胚胎时期opn4xa、opn4a和opn4b已经在脑部的不同区域开始表达，其中opn4xa自受精第1天在视前区开始表达;opn4b在受精第1天时在前脑腹侧开始出现，至第3天时在前脑外侧的背侧丘脑区两侧位置出现表达;opn4.1从受精第3天开始在连接后脑尾侧和脊髓前端的区域开始出现表达。类爪蟾黑视蛋白基因opn4xa自受精第1天在临近松果体复合物的间脑背部两侧区域开始表达;opn4b在除脑部外的躯干和尾部体节处进行表达[8]。 除斑马鱼外，在海水硬骨鱼类大西洋鳕鱼[Gadus morhua （Linnaeus，1758）]幼鱼[20]、大西洋鲑鱼（Salmo salar）[21]和大西洋鳙鲽[Hippoglossus hippoglossus （Linnaeus，1758）]胚胎的脑部等多个部位均存在黑视蛋白不同分子形式表达。以大西洋鳙鲽为例，在该鱼胚胎中发现有2种类哺乳类黑视蛋白基因opn4m1、opn4m3及1种类爪蟾黑视蛋白基因opn4x2，其中opn4m1在间脑背部的松果体附近、间脑前侧、被盖、视顶盖、神经丘复侧和脊髓处的多个部位表达，opn4m3在间脑腹侧、后脑、耳内侧和脊髓处表达，opn4x2在耳内侧和脊髓处表达[14]。
3 作用本质及主要生物意义
黑视蛋白具有感光特性，尽管一些证据表明该蛋白在视觉形成方面如感知和光线及辨别光色[22-24]和亮度评估等方面存在作用[25]，但其主要功能是通过将外界光子携带的能量转化为生物能，并引起生物钟调控系统的节律变化，其能量转换的方式区别于视锥、视杆细胞，而与非脊椎动物相似。前者光能通过Gi/o（transducin）/磷酸二酯酶途径进行，并最终作用于环核苷酸门控例子通道。而黑视蛋白吸收外界光子后，感光基团视黄醛由顺式变为反式[26]，通过与Gq/11类G蛋白结合激活磷脂酶C（phospholipase C，PLC），后者进一步水解磷脂酰肌醇（PIP2）产生二酰基甘油（DAG）和三磷酸肌醇（IP3）[27，28]，并引发膜外Ca2+经过TRP离子通道进入胞内，使得膜电位发生去极化并激活电压门离子通道（voltage-operated calcium vhannel，VOCC）[29，30]。
黑视蛋白在介导外界光环境引起的生物节律变化中占据不可或缺的重要地位，例如黑视蛋白基因敲除的小鼠在黑暗环境下表现正常，但单色光刺激后，便失去明显的节律现象[31]。对长期生活在黑暗环境中的洞穴鱼进行研究，发现黑视蛋白同样能介导外围生物钟的节律调整[10]。此外，鼢鼠的昼夜节律行为及斑马鱼幼鱼在暗环境下的趋光行为均受到黑视蛋白的调节作用[32，33]。
4 鱼类中黑视蛋白影响的主要生理途径
黑视蛋白具有的感知、传导外界光谱并引发生物节律调控变化这一特点，决定了该蛋白对众多光依赖-生理途径具有重要的影响。研究发现，黑视蛋白也可以在无光的条件下影响生物节律，如参与调控生活在礁石环境中的安氏坑鱼（Phreatichthys andruzzii）的生物节律系统，在长期的进化中该鱼眼部已经完全退化，但仍具有自身的生物节律系统，并且黑视蛋白和硬骨鱼类多组织视蛋白（TMT）是重要的上游调控因子，但具体细节尚不清楚[10]。
4.1 影响鱼类胚胎发育 在对大西洋鳙鲽的研究中发现，黑视蛋白对鱼类胚胎的孵化同样具有调控作用，通过对该鱼胚胎松果体感光细胞中的黑视蛋白和褪黑素进行免疫共定位发现，褪黑素在脑脊液中除以扩散的方式到达视顶盖、视前区、下丘脑和小脑等部位外，还能通过神经元网络伸向大脑深部，经间脑前到达下丘脑的方式进行直接调控[12，34]。与之类似，大西洋鳕鱼胚胎缰核和视交叉上核上的黑视蛋白同样对胚胎发育过程具有类似作用[19]，但具体的影响途径尚不清楚。诸多研究已經发现光谱能在孵化率、畸形率等方面对鱼类的胚胎发育产生影响[35]，黑视蛋白有可能作为感光介质介导了上述过程，但具体作用途径还不清楚。
4.2 介导非视觉类的趋光行为 在一些非视觉类的趋光行为中，来源于脑部的黑视蛋白也发挥着重要作用，如当外界存在光刺激时，视网膜发育尚未完成的斑马鱼胚胎及眼球被摘除的斑马鱼幼鱼会自发的剧烈运动。对胚胎而言，这种摆动比胚胎发育后期的自发摆动幅度更大，也更剧烈，人们将这种反应称为光动反应（photomotor response，PMR），并且当外界施加蓝光或者绿光时同样能产生该种效果，而红光或紫外光则不能[36]。除斑马鱼光动反应外，对于视觉已经退化的生活在礁石中的鱼类而言还存在阴影效应（shadow response），即正常情况下该鱼类停留在靠近水面的位置，一旦外界光照消失，这些鱼类将以垂直的方式迅速下潜，当外界光照正常时又回到水面[32]。
最近研究发现，黑视蛋白在由紫外线引起的斑马鱼心跳加快即警觉反应（alertness responses）过程中起介导作用，这类似于在人类中蓝光能引起相似的警觉反应，包括血液中褪黑素水平下降、心跳加速等表现[37-39]，在斑马鱼中蓝光同样能引起警觉表现，但是紫外线的效果更迅速[9]。鱼类脑部黑视蛋白在这2种行为中的调控说明了该蛋白在外围节律调控系统中可能发挥着重要作用。
4.3 影响鱼类激素表达 由于黑视蛋白能感知外界光谱信息并接到体内生物节律发生改变，因此其对生物节律调控系统的信号分子褪黑素也具有间接的影响。褪黑素是生物节律调控系统的重要信号分子，能通过对下游各级激素的调节最终实现对生长和繁育等行为的调控，并且其合成受到黑视蛋白的抑制作用[40]。Takeuchi等[13]利用热带鱼蓝魔（Chrysiptera cyanea）进行研究时发现，12D：12L光照模式下，在夜间利用不同光谱蓝光（435～475nm）、绿光（495～565nm）和红光（607～647nm）进行瞬间曝光处理时，蓝光对视网膜上产生的褪黑素水平的抑制幅度最大。
5 展望
黑视蛋白具有的介导外界光谱信息这一重要的作用特点，使得该蛋白几乎参与了所有光谱影响的多种生理途径。除上述已经明确的研究方面外，在其他的如光谱影响鱼类性腺发育等过程中黑视蛋白是否同样存在影响，今后需要进一步研究。黑视蛋白在鱼类不同生理途径中的广泛影响，为后期产品开发及实际生产运用提供了可能性，可以通过直接添加黑视蛋白产品来达到更好的养殖效果。
基金项目：国家重点研发计划“蓝色粮仓科技创新”重点专项（2018YFD0901204）;象山县科技计划项目（2019C0001）。 作者簡介：韩明明（1984—），女，山东人，博士，助理研究员，研究方向：水产繁育与病害。 通讯作者 收稿日期：2021-05-10
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关键词：黑视蛋白;节律调控;激素分泌;胚胎发育
中图分类号 S965.3 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2021）17-0096-04
The Study Progress of Melanopsin in Fishes
HAN Mingming1 et al.
（1Institute of Hydrobiology， Zhejiang Academy of Agricultural Sciences， Hangzhou 310021， China）
Abstract： Melanopsin is photosensitive， which could capture the photon and entrain the adjustment of the rhythm system. This opsin distributes both in the retina and the brain in fishes with diverse molecular forms. It plays an important role in upstream regulation in the multiple processes like embryo development， photomotor response， alertness responses and endocrine. We gave an introduction of the molecular structure and its composition， described its pathway of photosensitivity and gave an overview of its distribution， molecular forms and primary areas it woks in fishes. The extensive influences of melanopsin in various physical areas provide the possibility to increase the benefit in fish culture by adding the product of melanopsin.
Key words： Melanopsin; Rhythm regulation; Endocrine; Embryo development
自20世纪90年代末黑视蛋白首次被发现以来，学者们进行了大量的研究，其文章发表量逐年增加，据Pubmed数据库统计至2018年已达90篇。目前现有的综述性文章主要是关于人类及其他哺乳类动物的研究[1-7]，尽管在硬骨鱼上关于黑视蛋白也有大量的试验发现，如斑马鱼[8，9]、穴居鱼类安氏坑鱼（Phreatichthys andruzzii）[10]、大西洋鳕鱼（Gadus morhua，Linnaeus，1758）[11]、大西洋鳙鲽中[12]和热带蓝魔（Chrysiptera cyanea）等[13]，但尚无该蛋白对鱼类的影响途径和作用范围的归纳性文章出现。为此，本文依据目前黑视蛋白在鱼类中的研究发现，对该蛋白的分子特性、作用本质及参与的生理途径进行系统性总结。
1 分子结构组成
黑视蛋白（melanopsin）是一类广泛存在于脊椎动物中的G蛋白结合受体[14]，本质上是由7个跨膜结构组成的单肽链。与其他视蛋白相同之处在于第7螺旋336位点的赖氨酸分子与感光基团11-顺视黄醛相连[15]，不同之处在于黑视蛋白与其他视蛋白只有27%的氨基酸同源性[16]。另外，连接第5和6螺旋的胞质环区域在结合G蛋白后被激活，该区域在视锥、视杆细胞和P类视蛋白中均高度保守，相似度高达40%，而在黑视蛋白中相似度仅有7%，并且不同物种间相似性也存在差异。例如，鼠類与兔之间相似度达96%，但是啮齿类和人类之间仅有48%的相似性，而在蟾蜍和鸡中相似度达84%[16]。
2 分布位点与表现形式
黑视蛋白首次发现于非洲爪蟾（Xenopus laevis）中[14]，在哺乳动物中黑视蛋白只存在于视网膜上，其中在人类视网膜上不到1%的神经节细胞能表达黑视蛋白[17]，并且只有单一的opn4表达形式。在非哺乳动物中黑视蛋白有2类不同的表现形式，分别是类哺乳动物（opn4m）和类爪蟾（opn4x）两大类别[18]。硬骨鱼类的眼部和脑部均有黑视蛋白分布，并且分部位点和分子形式均具有多样性特点。例如，斑马鱼（Danio rerio）视网膜的内核层的多处部位均检测到黑视蛋白[19]，并且有5种分子形式，分别为opn4a、opn4b、opn4xa、opn4xb和opn4.1。其中，opn4xb仅在内核层的双极细胞处存在表达，opn4a在内核层分散表达，opn4xb、opn4a和opn4b在部分内核层区域共表达。另外，opn4b在靠近无长突细胞和水平细胞的区域也存在的明显表达现象，而opn4.1则分布在内核层最外缘靠近水平细胞和感光细胞的区域[8]。
在硬骨鱼类脑部的不同部位同样发现黑视蛋白的表达现象，并且早在视网膜尚没有发育完全的胚胎期就已经开始表达。斑马鱼胚胎时期opn4xa、opn4a和opn4b已经在脑部的不同区域开始表达，其中opn4xa自受精第1天在视前区开始表达;opn4b在受精第1天时在前脑腹侧开始出现，至第3天时在前脑外侧的背侧丘脑区两侧位置出现表达;opn4.1从受精第3天开始在连接后脑尾侧和脊髓前端的区域开始出现表达。类爪蟾黑视蛋白基因opn4xa自受精第1天在临近松果体复合物的间脑背部两侧区域开始表达;opn4b在除脑部外的躯干和尾部体节处进行表达[8]。 除斑马鱼外，在海水硬骨鱼类大西洋鳕鱼[Gadus morhua （Linnaeus，1758）]幼鱼[20]、大西洋鲑鱼（Salmo salar）[21]和大西洋鳙鲽[Hippoglossus hippoglossus （Linnaeus，1758）]胚胎的脑部等多个部位均存在黑视蛋白不同分子形式表达。以大西洋鳙鲽为例，在该鱼胚胎中发现有2种类哺乳类黑视蛋白基因opn4m1、opn4m3及1种类爪蟾黑视蛋白基因opn4x2，其中opn4m1在间脑背部的松果体附近、间脑前侧、被盖、视顶盖、神经丘复侧和脊髓处的多个部位表达，opn4m3在间脑腹侧、后脑、耳内侧和脊髓处表达，opn4x2在耳内侧和脊髓处表达[14]。
3 作用本质及主要生物意义
黑视蛋白具有感光特性，尽管一些证据表明该蛋白在视觉形成方面如感知和光线及辨别光色[22-24]和亮度评估等方面存在作用[25]，但其主要功能是通过将外界光子携带的能量转化为生物能，并引起生物钟调控系统的节律变化，其能量转换的方式区别于视锥、视杆细胞，而与非脊椎动物相似。前者光能通过Gi/o（transducin）/磷酸二酯酶途径进行，并最终作用于环核苷酸门控例子通道。而黑视蛋白吸收外界光子后，感光基团视黄醛由顺式变为反式[26]，通过与Gq/11类G蛋白结合激活磷脂酶C（phospholipase C，PLC），后者进一步水解磷脂酰肌醇（PIP2）产生二酰基甘油（DAG）和三磷酸肌醇（IP3）[27，28]，并引发膜外Ca2+经过TRP离子通道进入胞内，使得膜电位发生去极化并激活电压门离子通道（voltage-operated calcium vhannel，VOCC）[29，30]。
黑视蛋白在介导外界光环境引起的生物节律变化中占据不可或缺的重要地位，例如黑视蛋白基因敲除的小鼠在黑暗环境下表现正常，但单色光刺激后，便失去明显的节律现象[31]。对长期生活在黑暗环境中的洞穴鱼进行研究，发现黑视蛋白同样能介导外围生物钟的节律调整[10]。此外，鼢鼠的昼夜节律行为及斑马鱼幼鱼在暗环境下的趋光行为均受到黑视蛋白的调节作用[32，33]。
4 鱼类中黑视蛋白影响的主要生理途径
黑视蛋白具有的感知、传导外界光谱并引发生物节律调控变化这一特点，决定了该蛋白对众多光依赖-生理途径具有重要的影响。研究发现，黑视蛋白也可以在无光的条件下影响生物节律，如参与调控生活在礁石环境中的安氏坑鱼（Phreatichthys andruzzii）的生物节律系统，在长期的进化中该鱼眼部已经完全退化，但仍具有自身的生物节律系统，并且黑视蛋白和硬骨鱼类多组织视蛋白（TMT）是重要的上游调控因子，但具体细节尚不清楚[10]。
4.1 影响鱼类胚胎发育 在对大西洋鳙鲽的研究中发现，黑视蛋白对鱼类胚胎的孵化同样具有调控作用，通过对该鱼胚胎松果体感光细胞中的黑视蛋白和褪黑素进行免疫共定位发现，褪黑素在脑脊液中除以扩散的方式到达视顶盖、视前区、下丘脑和小脑等部位外，还能通过神经元网络伸向大脑深部，经间脑前到达下丘脑的方式进行直接调控[12，34]。与之类似，大西洋鳕鱼胚胎缰核和视交叉上核上的黑视蛋白同样对胚胎发育过程具有类似作用[19]，但具体的影响途径尚不清楚。诸多研究已經发现光谱能在孵化率、畸形率等方面对鱼类的胚胎发育产生影响[35]，黑视蛋白有可能作为感光介质介导了上述过程，但具体作用途径还不清楚。
4.2 介导非视觉类的趋光行为 在一些非视觉类的趋光行为中，来源于脑部的黑视蛋白也发挥着重要作用，如当外界存在光刺激时，视网膜发育尚未完成的斑马鱼胚胎及眼球被摘除的斑马鱼幼鱼会自发的剧烈运动。对胚胎而言，这种摆动比胚胎发育后期的自发摆动幅度更大，也更剧烈，人们将这种反应称为光动反应（photomotor response，PMR），并且当外界施加蓝光或者绿光时同样能产生该种效果，而红光或紫外光则不能[36]。除斑马鱼光动反应外，对于视觉已经退化的生活在礁石中的鱼类而言还存在阴影效应（shadow response），即正常情况下该鱼类停留在靠近水面的位置，一旦外界光照消失，这些鱼类将以垂直的方式迅速下潜，当外界光照正常时又回到水面[32]。
最近研究发现，黑视蛋白在由紫外线引起的斑马鱼心跳加快即警觉反应（alertness responses）过程中起介导作用，这类似于在人类中蓝光能引起相似的警觉反应，包括血液中褪黑素水平下降、心跳加速等表现[37-39]，在斑马鱼中蓝光同样能引起警觉表现，但是紫外线的效果更迅速[9]。鱼类脑部黑视蛋白在这2种行为中的调控说明了该蛋白在外围节律调控系统中可能发挥着重要作用。
4.3 影响鱼类激素表达 由于黑视蛋白能感知外界光谱信息并接到体内生物节律发生改变，因此其对生物节律调控系统的信号分子褪黑素也具有间接的影响。褪黑素是生物节律调控系统的重要信号分子，能通过对下游各级激素的调节最终实现对生长和繁育等行为的调控，并且其合成受到黑视蛋白的抑制作用[40]。Takeuchi等[13]利用热带鱼蓝魔（Chrysiptera cyanea）进行研究时发现，12D：12L光照模式下，在夜间利用不同光谱蓝光（435～475nm）、绿光（495～565nm）和红光（607～647nm）进行瞬间曝光处理时，蓝光对视网膜上产生的褪黑素水平的抑制幅度最大。
5 展望
黑视蛋白具有的介导外界光谱信息这一重要的作用特点，使得该蛋白几乎参与了所有光谱影响的多种生理途径。除上述已经明确的研究方面外，在其他的如光谱影响鱼类性腺发育等过程中黑视蛋白是否同样存在影响，今后需要进一步研究。黑视蛋白在鱼类不同生理途径中的广泛影响，为后期产品开发及实际生产运用提供了可能性，可以通过直接添加黑视蛋白产品来达到更好的养殖效果。
基金项目：国家重点研发计划“蓝色粮仓科技创新”重点专项（2018YFD0901204）;象山县科技计划项目（2019C0001）。 作者簡介：韩明明（1984—），女，山东人，博士，助理研究员，研究方向：水产繁育与病害。 通讯作者 收稿日期：2021-05-10
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