Only Perception: 夜視奧祕之一在於 DNA 不尋常的結構

2009-04-20

夜視奧祕之一在於 DNA 不尋常的結構

A secret to night vision found in DNA's unconventional 'architecture'
http://www.physorg.com/news159105142.html

April 16th, 2009

根據 4/17 當期 Cell（Cell Press 發行）當中的一篇報告表示，研究者發現一項重要的元素使得夜行性哺乳類動物的夜間視覺（night vision）成為可能：負責低亮度視覺的光受體 -- 桿狀細胞（rod cells）當中的 DNA 以一種相當不尋常的方式包裹。這種特殊的 DNA 結構將桿狀細胞的細胞核本身轉變成一種微小的集光透鏡（light-collecting lenses）-- 在每個夜間活動的眼睛裡都有幾百萬個。

"可在所有細胞核中看見的傳統結構總是不變地出現在晝行性哺乳類動物的桿狀細胞中，包括靈長類、豬與松鼠，" 德國慕尼黑 Ludwig-Maximilians 大學的 Boris Joffe 表示。"在另一方面，顛倒的（inverted）結構則普遍出現在夜行性哺乳類動物中，" 例如：老鼠、貓與鹿。

那種結構對於這些細胞的光學特性有著重要的後果（ramifications），劍橋大學的 Jochen Guck 補充。"晝行性的細胞核基本上是在散射障礙物，" 他說。"在夜行性動物中，它們是小透鏡。一個例子是光朝所有方向散射，而另一個則是向前方聚焦，" 意味著即使是在夜晚，凡是微弱的光都能進入眼睛更深處，在這裡被感知。

能夠領悟到，桿狀細胞細胞核的結構也許能為動物在夜間相對於日間的行為做某些事，（我）以為是一大躍進與跨學科的合作，Joffe 補充。那是因為生物學家通常都會就 DAN 及其包裹而成的染色質，對於基因活性的影響來思考。"我們嘗試過其他每一種可能的解釋，" Joffe 補充。"「它能為視覺做某些事」這樣的想法本身就是一種大膽的想法。人們一聽到都會先笑出來。"

在非分裂的細胞中，DNA 會與蛋白質聯合形成所謂的染色質（chromatin，譯註：不是染色體 (chromosome)），較緻密的「異染色質（heterochromatin）」在周邊而較不緻密的「常染色質（euchromatin）」則在內部。研究者解釋，雖然細胞核結構的細胞類型特定版本在細節上有明顯差異，不過上述形態（pattern）近乎普適且都被保存在單細胞與多細胞生物體中。他們表示，細胞核的結構之所以在演化上穩定的理由，很有可能是染色質的空間性安排在調控細胞核功能上所扮演的重要角色。

有了這種想法，該團隊十分關注這個事實：老鼠桿狀細胞的細胞核基本上顯現出相反的、顛倒的形態。其細胞核中央部份由大量異染色質所佔據，而控制基因活性的轉錄因子則大多在細胞核周邊。

老鼠並非生下來就有這些不尋常的桿狀細胞，他們現在報告。相反的，牠們桿狀細胞中的傳統細胞核結構，在這些動物的頭幾週之內就完全轉變成顛倒的形態。

他們發現，這些在老鼠身上發現的顛倒細胞核結構也出現在其他夜行性動物身上。"我們的資料揭露了桿狀細胞核結構與生活方式之間一種全然意想不到但相當明確的關連性，那更進一步由來自於近 40 種動物的資料所支持，" 研究者表示。"夜行性哺乳類動物有這種顛倒的形態，而其他晝行性則顯現出傳統的樣子。"

顛倒細胞核結構與夜間視覺之間的相關性指出，顛倒樣式也許有光學上的後果，他們表示。畢竟，夜行性哺乳類動物所看見的光強度為日間的百萬分之一，而牠們的桿狀光受體也已知能處理的光敏感度低到只有幾個光子這種程度。這種高敏感度需要大量桿狀細胞，那增加視網膜外核層（outer nuclear layer，ONL）的厚度。透過外核層的最佳化光傳送可能因此為夜間活動的視覺提供了決定性的優勢。

事實上，夜行性動物之桿狀細胞的個別細胞核如何與光互動的量測，證明其作用如同集光透鏡。電腦模擬指出，這種細胞核的圓柱體，如同那些可在夜行性動物視網膜發現的，能有效將光導向感光的桿狀外部區段（outer segments）。

這種特殊細胞核排列的重要性只有當你考慮到這些圓柱體時才會出現， Guck 表示。"如果每個細胞核將光散射，那可能都玩完了。夜行性動物內部的顛倒確保光線能從一個細胞核通往另一個。它如此傳下去，所以不會消散。"

這些結果證明，儘管有著傳統形態的強烈演化保存，在桿狀細胞中的細胞核架構在哺乳類動物的演化中仍被修改了好幾次，Joffe 表示。

"將古生物學、分子以及形態學資料彙總，強烈指出 (1) 顛倒形態出現在哺乳類動物演化的相當早期，成為這種主要是夜行性之動物群體對於夜間活動視覺的一種適應，(2) 與之相應地，傳統形態一再為重新採用晝行性生活方式的哺乳類動物所獲得，而且 (3)，傳統結構的「復辟」最有可能為了傳統細胞核結構而要求選擇性壓力，" 研究者們寫道。"顛倒與傳統形態的比較也因而強調了這些有利特徵，那預先決定了這種近乎普適的傳統細胞核結構的流行。"

※ 因為這些特徵「有利」所以迫使生物演化出這種「有利特徵」，他們大概想說是趨同演化（convergent evolution）吧？相關報導：

＊ Nuclear Architecture of Rod Photoreceptor Cells Adapts to Vision in Mammalian Evolution
http://www.cell.com/abstract/S0092-8674(09)00137-8

Irina Solovei, Moritz Kreysing, Christian Lanctot,
Suleyman Kosem, Leo Peichl, Thomas Cremer, Jochen Guck, and
Boris Joffe
Cell, Volume 137, Issue 2, 356-368, 17 April 2009
doi: 10.1016/j.cell.2009.01.052