青蛙拥有的光感应蛋白远超它的视觉需求

　　

6月20日是北半球夏季的第一天，也是一年中白昼最长的一天。几千年来，生物已经进化到对不同程度的阳光照射做出反应，控制着从睡眠-觉醒周期到季节变化等一切，但负责对非视觉目的的不同光环境做出反应的蛋白质是一个尚未被探索的科学领域。由约克大学理学院教授和前约克研究员领导的一项新研究发现，在进化过程中，青蛙保持了这种被称为视蛋白的感光蛋白的惊人数量和多样性。

“我们和其他动物一样，有许多不同类型的非视觉视蛋白，它们可以存在于身体的不同部位，包括眼睛、大脑和皮肤。现在，随着夏天的临近，白天变得越来越长，非视觉视蛋白参与了我们的身体对这些差异的反应，”约克大学生物系和视觉研究中心的助理教授瑞安·斯科特说。“我们发现，青蛙尽管主要是夜行动物，但实际上比任何其他祖先是夜行动物的群体都拥有更多的非视觉视蛋白基因。”

非视觉视蛋白在动物界随处可见。在人类和其他哺乳动物中，有关光照条件的信息通过眼睛进入并被发送到松果体，松果体将通过抑制或分泌激素来对光线做出反应。这是一个间接的过程，但青蛙仍然有直接感知光线的“第三只眼”，这是动物界的其他动物很久以前就失去的。

“在头顶的那个器官中有几种非视觉视蛋白，这将帮助它们调节昼夜循环，”斯科特说。“有趣的是，我们发现大多数视蛋白仍然在眼睛中表达，所以眼睛在与视觉没有直接关系的光检测功能中仍然发挥着重要作用。”

研究人员说，青蛙为研究不同生态条件下的蛋白质提供了机会。为了研究青蛙的这种多样性，研究人员将来自81种青蛙眼睛的转录组基因数据(一个器官中表达的所有基因的基因序列)与来自另外21种青蛙的公开基因组和多组织转录组数据结合起来。这102种蛙提供了具有不同生态适应性的广泛样本。

“青蛙很酷，因为不同的物种可以生活在水中，陆地上，树上，甚至地下，”前斯科特和贝尔实验室研究员杰克·博耶特说，他是该论文的主要作者，目前是宾夕法尼亚州立大学的博士生。“由于活动期等因素，情况变得更加复杂——许多蛙类在夜间活动，但有些在白天活动。正如你所想象的，所有这些不同的栖息地都有非常不同的光环境，这对感官系统的进化和功能有影响。”

研究人员说，包括哺乳动物和蛇在内的一些动物在进化过程中失去了许多视蛋白基因，这可能是因为它们经历了一段夜间生活的进化时期，感觉光线的能力不那么重要。

青蛙在祖先上也是夜行动物，因此研究人员希望在青蛙身上发现减少的非视觉视蛋白多样性。值得注意的是，本研究评估的青蛙基因组包含所有18种祖先脊椎动物的非视觉视蛋白。这一惊人的发现可能源于复杂的生命史。

“在单个动物的一生中，许多青蛙物种在完全不同的光环境之间转换，”博耶特说。“尽管很多成年青蛙都是夜行性的，但蝌蚪幼虫却不一定如此。”

此外，研究人员还确定了不同生态、生活史和体型的群体之间视蛋白的遗传差异。这可能潜在地表明，青蛙的非视蛋白已经适应了特定的生活方式或环境，这与斯科特上一项研究的发现相似，该研究观察了青蛙眼睛中的视蛋白。

这些发现今天发表在《Molecular Biology and Evolution》杂志上。

斯科特说，这项研究首次提示了目前功能未知的视蛋白基因如何在青蛙中起作用，他们已经确定了一个可能参与调节青蛙季节性繁殖的候选基因。

“我们仍然需要更好地了解每种非视觉视蛋白的特定功能，以及这些功能是如何在不同的动物中进化和适应的，比如我们研究的青蛙，以满足它们的特定需求，”斯科特说。“这是朝着更好地理解这些季节模式以及青蛙和其他动物如何以不同的方式利用光来调节它们的生物功能迈出的令人兴奋的一步。”

Diversity and Molecular Evolution of Nonvisual Opsin Genes across Environmental, Developmental, and Morphological Adaptations in Frog