Nature封面 | 又是磁蛋白？谢灿等团队发现鸟类迁徙导航定位

夜间迁徙的鸣禽独自飞行并且经常远距离飞行，它们使用各种方向提示，包括至关重要的依赖光的磁罗盘。该“磁罗盘”的机制被认为依赖于位于鸟类视网膜中的隐花色素黄素蛋白中光诱导自由基对的量子自旋动力学。

中国科学院合肥物质科学研究院谢灿与英国牛津大学P. J. Hore，Christiane R. Timmel，Stuart R. Mackenzie，德国奥登堡大学Henrik Mouritsen及Ilia A. Solov’yov共同通讯在Nature 在线发表题为“Magnetic sensitivity of cryptochrome 4 from a migratory songbird”的研究论文，该研究展示了来自夜间迁徙的欧洲知更鸟（Erithacus rubecula）的隐花色素 4（CRY4）的光化学在体外具有磁敏感性，并且比来自两种非迁徙鸟类，鸡（Gallus gallus）和鸽子的 CRY4 更敏感。ErCRY4 的位点特异性突变揭示了四个连续的黄素-色氨酸自由基对在产生磁场效应和稳定潜在信号状态方面的作用，这种方式可以使知更鸟的感知和信号功能独立优化。

总之，该研究表明来自夜间迁徙的欧洲知更鸟的 CRY4 似乎适合用作磁传感器，并且在体外相同的测量条件下，它比来自非迁徙的鸽子和鸡的 CRY4 的磁敏感度更高。 该研究数据还表明，大自然可能已经找到了通过控制其光化学来独立优化 CRY4 的磁传感和信号传递特性的方法。 为了确定 CRY4 是否在体内充当磁感受器分子，需要在夜间迁徙的鸣禽眼中直接操作这种蛋白质。 该研究作为最新一期的Nature 封面文章。

自由基对机制是磁场对化学反应速率和产率影响的公认来源。原理验证实验已经证明了模型自由基对系统对地球强度磁场（约 50 μT）方向的敏感性。[FAD•− TrpH•+] 隐花色素中的自由基对是通过一个电子沿着三个或四个色氨酸链顺序跳跃到光激发的、非共价结合的黄素腺嘌呤二核苷酸 (FAD) 发色团形成的。

已经在体外报道了一些隐花色素/光解酶蛋白家族成员的磁敏感、光诱导自由基对：AtCRY1（拟南芥）、DmCry（黑腹果蝇）和大肠杆菌光解酶。实际上，需要隐花色素对磁场的一般敏感性才能为动物的物种特异性优化提供范围，其中对地球磁场的认识将有利于生存和健康。因此，在考虑长距离夜间迁徙雀鸟的磁感受时，来自非迁徙物种（如植物和果蝇）的隐花色素的详细特性可能无关紧要。到目前为止，明确使用依赖光的“磁罗盘”的迁徙动物的隐花色素尚未显示出磁敏感性。

文章插图

磁场对隐花色素中光诱导自由基对的相干自旋动力学的影响表现为蛋白质稳定状态的量子产率的变化，这可能会引发磁信号，最有可能是通过 C 端尾部构象的变化。

在这里，该研究对 ErCRY4 的光化学和磁敏感性进行了详细的体外分析，ErCRY4 是一种在夜间迁徙的欧洲知更鸟眼中的双锥和长波长单锥感光细胞中表达的蛋白质。除了这里研究的光诱导自由基对之外，有人提出由“暗”逆反应形成的自由基对也可能是体内隐花色素的磁敏感性的原因，并且 CRY1a 可能更适合作为磁感受器而不是CRY4。然而，任何“暗”自由基对的身份都是未知的，脊椎动物 CRY1a 蛋白在体外似乎不会强烈结合 FAD。因此，该研究将重点放在体外 ErCRY4 中的光诱导电子转移反应是否适合用于磁传感。

该研究展示了来自夜间迁徙的欧洲知更鸟（Erithacus rubecula）的隐花色素 4（CRY4）的光化学在体外具有磁敏感性，并且比来自两种非迁徙鸟类，鸡（Gallus gallus）和鸽子的 CRY4 更敏感。ErCRY4 的位点特异性突变揭示了四个连续的黄素-色氨酸自由基对在产生磁场效应和稳定潜在信号状态方面的作用，这种方式可以使知更鸟的感知和信号功能独立优化。

总之，该研究表明来自夜间迁徙的欧洲知更鸟的 CRY4 似乎适合用作磁传感器，并且在体外相同的测量条件下，它比来自非迁徙的鸽子和鸡的 CRY4 的磁敏感度更高。该研究数据还表明，大自然可能已经找到了通过控制其光化学来独立优化 CRY4 的磁传感和信号传递特性的方法。为了确定 CRY4 是否在体内充当磁感受器分子，需要在夜间迁徙的鸣禽眼中直接操作这种蛋白质。

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