視紫紅質(zhì)在視網(wǎng)膜變性疾病中作用機制的研究進展

李 潔 綜述 梅 妍 審校

（昆明醫(yī)學(xué)院附屬昆華醫(yī)院，云南省第一人民醫(yī)院眼科，昆明650032）

視網(wǎng)膜變性疾病如年齡相關(guān)性黃斑變性、視網(wǎng)膜色素變性等是目前主要的致盲性眼底疾病，此類疾病發(fā)生機制復(fù)雜。研究表明，視網(wǎng)膜光感受器細(xì)胞凋亡是視網(wǎng)膜變性的共同特征［1，2］。1966年，Noell等人［3］首次建立了光性視網(wǎng)膜損傷的動物模型，證實了長時間光照可以使大鼠視網(wǎng)膜變性。目前，關(guān)于光致視網(wǎng)膜變性的機制，人們提出了眼部色素（黑色素和脂褐素）的光敏反應(yīng)、細(xì)胞內(nèi)Ca2＋離子水平超載、自由基引發(fā)脂質(zhì)過氧化以及視紫紅質(zhì)介導(dǎo)等多種學(xué)說，其中視紫紅質(zhì)在光致視網(wǎng)膜變性中的作用近年來日益受到研究者的重視，本文就其在光致視網(wǎng)膜變性疾病中的機制進行綜述。

1 視紫紅質(zhì)

視網(wǎng)膜之所以能感受光線是由于其含有高度分化的感光細(xì)胞：視錐細(xì)胞和視桿細(xì)胞，前者主要負(fù)責(zé)亮視覺，后者主要負(fù)責(zé)暗視覺。而關(guān)于視覺形成的化學(xué)機制研究源于在蛙眼感光細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了一種能夠感光的色素，它是視網(wǎng)膜把光線刺激轉(zhuǎn)化為神經(jīng)沖動從而形成視覺沖動的物質(zhì)基礎(chǔ)。視細(xì)胞中的感光色素主要就是視紫紅質(zhì)（rhodopsin，RHO）。

1.1 視紫紅質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能

位于視桿細(xì)胞外節(jié)的視紫紅質(zhì)是視桿細(xì)胞的視色素，由跨膜的視蛋白和112順2視黃醛連接而成，其分子量約3197×104 u。視紫紅質(zhì)的C2端序列暴露在膜盤外的漿膜腔中，含有兩個半胱氨酸殘基（Cys2322和Cys2323），這些半胱氨酸殘基被軟脂酸修飾并可能通過它錨定于膜，從而穩(wěn)定C末端和形成分子外環(huán)；含有多糖的N 2末端序列暴露在膜盤的內(nèi)腔表面。50%的氨基酸序列位于跨膜膜盤脂質(zhì)雙層的七個疏水區(qū)段中，其余氨基酸序列平均分配在膜的兩側(cè)。這樣，四個環(huán)和羧基末端面對著視桿細(xì)胞漿面，比較容易受胞漿蛋白影響。根據(jù)結(jié)構(gòu)模型分析，視紫紅質(zhì)環(huán)中的半胱氨酸之間可形成二硫鍵。這些半胱氨酸在脊椎動物視色素之間很好地保留，甚至包括后述的雞的視紫藍質(zhì)亦有類似結(jié)構(gòu)（Cys2123和Cys2200）。發(fā)色基團112順2視黃醛連接在296位賴氨酸殘基的E氨基上，形成質(zhì)子化的Schiff堿結(jié)合。當(dāng)接受光照后，112順2視黃醛異構(gòu)化為全反式視黃醛，視紫紅質(zhì)經(jīng)過一系列的中間反應(yīng)產(chǎn)物，當(dāng)從后視紫紅質(zhì) （metarhodop sin，MI）變化為M II時，Sch iff堿去質(zhì)子化，它可以水解并釋放全反式視黃醛。視蛋白重新結(jié)合112順2視黃醛，再生成光敏感的視紫紅質(zhì)［4］。

1.2 視紫紅質(zhì)和正常視覺傳導(dǎo)

視紫紅質(zhì)基因位于3q21～3q24，長度約為7kb，含有4個內(nèi)含子和5個外顯子，其外顯子共同編碼了含348個氨基酸的視蛋白，后者折疊7次跨越感光細(xì)胞外節(jié)盤膜，其中第7跨膜端的296位點的賴氨酸殘基可以結(jié)合112順視黃醛，形成有功能的視色素分子，這是視興奮形成的前提［5］。在正常生理條件下，處于暗處視網(wǎng)膜內(nèi)視紫紅質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)為11順型視黃醛，當(dāng)吸收光子后，視紫紅質(zhì)中的視黃醛即變成全反型視黃醛，并與視蛋白分離，光照后分解的視紫紅質(zhì)在暗處又可以重新合成，光照時的這一系列反應(yīng)稱為光化學(xué)反應(yīng)。在上述視紫紅質(zhì)分解過程中可以釋放能量，并能通過復(fù)雜的信息傳遞誘發(fā)視細(xì)胞產(chǎn)生幾十毫伏的電位變化，進而引發(fā)視神經(jīng)的沖動形成完整的視覺。視紫紅質(zhì)是一種非常敏感的感光物質(zhì)，通常一個光量子就可以使一個分子的視紫紅質(zhì)分解，并獲得106的能量放大。

1.2 視紫紅質(zhì)與光性視網(wǎng)膜損傷

雖然視紫紅質(zhì)在視網(wǎng)膜正常的光線接收與視覺形成過程中有著關(guān)鍵作用，但由其介導(dǎo)的過度的光化學(xué)反應(yīng)則是視網(wǎng)膜光損傷的重要原因之一。Orga2nisciak等的研究表明［6］，導(dǎo)致視網(wǎng)膜光損傷的光譜與視紫紅質(zhì)的吸收光譜相一致。經(jīng)過充分暗適應(yīng)的動物對光損傷的敏感性較自然光晝夜周期生活下的動物要高，視網(wǎng)膜光損傷后的形態(tài)學(xué)改變與殘存的視紫紅質(zhì)含量相對應(yīng)，說明視紫紅質(zhì)在視網(wǎng)膜內(nèi)的含量與視網(wǎng)膜對光損傷的易感性密切相關(guān)。此外研究還發(fā)現(xiàn)與連續(xù)光照的大白鼠相比，接受多次間歇光照但同樣時間可以導(dǎo)致動物更重的感光細(xì)胞損傷，其原因也是與間歇光照動物視網(wǎng)膜內(nèi)視紫紅質(zhì)的含量較高有關(guān)。通過比較視色素的吸收光譜與光性視網(wǎng)膜損傷的作用光譜，發(fā)現(xiàn)雖然某些短波長光的作用光譜（如藍色光或近紫外光）與視紫紅質(zhì)的吸收光譜不一致，但視紫紅質(zhì)的漂白產(chǎn)物（全反型視黃醛和視蛋白等）的吸收光譜卻與短波長光引起的光損傷的作用光譜相一致，如視紫紅質(zhì)的漂白產(chǎn)物全反維生素A醛和全反維生素A醇，兩者的吸收光譜分別為387 nm和330 nm，而細(xì)胞色素C氧化酶具有大約在420 nm波長的吸收光譜，與體外培養(yǎng)的視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞光損傷作用光譜相一致。而易見，由于視色素在光線的接受與傳導(dǎo)方面的重要作用，其含量水平與光損傷的易感性自然就有著密切的關(guān)聯(lián)性。

1.3 視紫紅質(zhì)與視網(wǎng)膜光損傷易感性

視網(wǎng)膜色素上皮（RPE）位于視網(wǎng)膜最外層，具有吞噬感光細(xì)胞脫落，參與維生素A在視網(wǎng)膜中的代謝，構(gòu)成血－視網(wǎng)膜屏障等重要的生理作用。研究發(fā)現(xiàn)在某些嚙齒動物模型中，視網(wǎng)膜光損傷的易感性（light damage suscep tibility，LDS）是由基因決定的［7］。視網(wǎng)膜光損傷時有基因水平的變化，而基因水平的變化也影響了光損傷的易感性。李永洋等［8］研究表明，光感受器細(xì)胞凋亡出現(xiàn)在視網(wǎng)膜光損傷早期，光感受器細(xì)胞凋亡是大鼠實驗性視網(wǎng)膜光損傷的重要機制。隨著光損傷的發(fā)展，光感受器細(xì)胞凋亡被啟動，光感受器細(xì)胞凋亡的發(fā)展又進一步加重視網(wǎng)膜光損傷。

Grimm［9］將兩組缺失視紫紅質(zhì)表達的基因敲除Rpe65（2／2）和 Rho（2／2）小鼠同時暴露于強光照射下，其中Rpe65產(chǎn)物對于視循環(huán)中光漂白后的視紫紅質(zhì)再生起到關(guān)鍵作用，而Rho2／2小鼠缺失視紫紅質(zhì)激酶基因，其感光細(xì)胞中不表達脫輔基的視蛋白，研究結(jié)果顯示缺失視紫紅質(zhì)表達的這兩組模型動物可以完全地抵抗光致感光細(xì)胞凋亡的發(fā)生，這提示視紫紅質(zhì)在視網(wǎng)膜光損傷信號的產(chǎn)生和傳導(dǎo)過程中有不可或缺的作用。

1.4 視紫質(zhì)在短波長光性視網(wǎng)膜損傷中的作用機制

基本上，如果照射足夠長的時間，所有的光，甚至是周圍的自然光，都能損傷視網(wǎng)膜［10］。但波長越短，光強度越強，光化學(xué)性損傷的機會越大。在一定范圍內(nèi)隨著光照波長的變短，視網(wǎng)膜的LDS也隨之增加，但是其機制并不明確。嚙齒類動物的視網(wǎng)膜變性發(fā)生在常規(guī)光照射5～7 d后，如果用明亮的熒光（3000 lux）照射1 h后1～2 d內(nèi)會引起嚙齒類動物盲。紫外線、藍光、或者白光可以引起動物中心視網(wǎng)膜不可逆的病損［11］。視桿和視錐細(xì)胞的視色素是這些病損的主要的中介物。缺乏視紫質(zhì)的小鼠中，視網(wǎng)膜不能被強的白光損傷。而且，視紫質(zhì)的再生率決定了光損傷的閾值［12］。研究曾發(fā)現(xiàn)麻醉劑氟烷可以通過可逆性地抑制依賴于RPE65蛋白的視紫紅質(zhì)代謝再生來阻斷視紫紅質(zhì)對光子的吸收，從而能有效減少視網(wǎng)膜光損傷的發(fā)生。研究曾發(fā)現(xiàn)麻醉劑氟烷可以通過可逆性地抑制依賴于RPE65蛋白的視紫紅質(zhì)代謝再生來阻斷視紫紅質(zhì)對光子的吸收，從而能有效減少視網(wǎng)膜光損傷的發(fā)生。Keller等［13］將經(jīng)過氟烷麻醉的動物暴露于同樣損傷劑量的白光或者藍光照射下，實驗顯示白光照射組動物其視網(wǎng)膜完全不受光照的影響，沒有感光細(xì)胞變性的發(fā)生；然而藍光照射組動物卻有大量感光細(xì)胞的凋亡。至于氟烷對藍光導(dǎo)致的視網(wǎng)膜損傷無保護作用的原因，他們認(rèn)為藍光可以通過一個被稱為phototoreversal of bleaching的過程有效地從漂白間期還原恢復(fù)有功能的視紫紅質(zhì)，而且此效應(yīng)并不依賴于通過RPE65蛋白的視紫紅質(zhì)再生循環(huán)。

進一步的研究也證實了photoreversal of bleaching效應(yīng)的存在［14］。研究者們認(rèn)為藍光照射引起的視網(wǎng)膜損傷也是依賴于視紫紅質(zhì)的存在，并且是通過photoreversal of bleaching效應(yīng)來介導(dǎo)的。藍光照射過程中視網(wǎng)膜對光子的捕獲能力有顯著的提高，這可能是視網(wǎng)膜對短波長藍光損傷的易感性要遠遠大于長波長的綠光的主要原因［14215］。

2 視紫質(zhì)在其他視網(wǎng)膜變性疾病中的作用

除光性視網(wǎng)膜損傷外，多種視網(wǎng)膜變性疾病等都與過度的光照有關(guān)。近年研究證實視紫紅質(zhì)異常是這些疾病發(fā)生的重要原因。

視網(wǎng)膜色素變性（retinitis p igmentosa，RP）是因感光細(xì)胞和色素上皮細(xì)胞變性而導(dǎo)致進行性視野缺損的一組常見遺傳性致盲眼底病，通常具有常染色體顯性、常染色體隱性和性連鎖遺傳三種遺傳方式，目前已發(fā)現(xiàn)多達150個基因突變位點與RP有關(guān)。其中視紫紅質(zhì)基因是最常見的引起常染色體顯性RP的基因，約30%的RP患者是由視紫紅質(zhì)基因突變引起的，其突變時會產(chǎn)生有害的視蛋白，干擾正常的視功能；Rpe65基因位點的突變則是常染色體隱性RP一種常見的原因，其突變可導(dǎo)致視網(wǎng)膜的視黃醛代謝循環(huán)過程紊亂［16］。

此外，Leber先天性黑蒙（Leber congenital amauro2sis，LCA）也是一種與視紫紅質(zhì)代謝相關(guān)的嚴(yán)重常染色體隱性遺傳的視網(wǎng)膜營養(yǎng)障礙疾病，它約占到所有視網(wǎng)膜變性疾病的5%，是導(dǎo)致嬰幼兒先天性視盲的常見原因［17］。

而年齡相關(guān)性黃斑變性（age－related macular degeneration，AMD），目前只有少量的流行病學(xué)證據(jù)表明過量的光照射與其相關(guān)［18］。

隨著對視紫紅質(zhì)研究的深入，相信會進一步闡明視網(wǎng)膜變性等多種視網(wǎng)膜相關(guān)疾病的分子病理機制，并將為其治療提供新的策略。

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