Science：垂体内分泌细胞的直接光感机制调控激素释放与色素生成（2025）

摘要

摘要图
本文揭示了日本青鳉垂体中一种全新的直接光感机制。研究发现，短波长光照能够诱导垂体黑色素细胞显著增加细胞内钙离子浓度，从而触发促黑激素（MSH）的分泌，并进一步通过增强酪氨酸酶表达，促进黑色素生成。该过程由光感蛋白Opn5m介导，其基因敲除实验验证了其在光感响应中的核心作用。这一机制可能为鱼类提供了紫外线防护，丰富了非视觉光感受机制的生物学认知。

关键词

  • 垂体光感受 (pituitary photoreception)
  • 垂体促黑激素 (melanocyte-stimulating hormone, MSH)
  • 钙离子信号 (calcium signaling)
  • 光感蛋白Opn5m (Opn5m photoreceptor protein)
  • 紫外线响应 (UV response)

研究背景

光感受不仅局限于视觉器官，还在脑部等多个组织中被发现，可能参与季节性繁殖和昼夜节律调控。然而，现有研究大多聚焦于中枢神经系统，垂体作为关键的内分泌腺，其光感受功能仍未被完全理解。本研究以日本青鳉为模型，通过体外钙成像技术，揭示了垂体黑色素细胞直接感受短波长光并分泌MSH的现象。这种光感应机制可能通过提高皮肤酪氨酸酶表达，增强黑色素生成，从而发挥保护作用。

创新点

  • 首次揭示垂体内分泌细胞的光感受功能，拓展了非视觉光感的研究范围。
  • 确定Opn5m作为垂体光感受的关键分子，并通过基因编辑验证其功能。
  • 提供了短波长光诱导黑色素生成的全新机制，具有潜在的紫外线防护意义。

研究内容

通过钙成像实验，研究发现日本青鳉垂体中的黑色素细胞在短波长光（尤其是紫外光）照射下，快速提升细胞内钙离子浓度，触发MSH分泌。实验验证表明，这一过程由光感蛋白Opn5m介导，通过基因敲除方法，发现Opn5m缺失显著降低了光诱导的钙离子反应及MSH释放。同时，应用液相色谱质谱分析证实，Opn5m诱导的MSH分泌可以上调皮肤酪氨酸酶的表达水平，增强黑色素生成。此外，实验利用透明遮光技术和紫外线光照条件，模拟自然环境中的紫外线暴露，进一步证实了该机制对黑色素生成的促进作用。这一研究开拓了非视觉光感受的新视角，提供了光感受与内分泌功能联动的实验依据。

图1
图 1 | 短波长光诱导垂体黑素细胞 \( [Ca^{2+}]_i \) 的升高。

(A) 在pomca:GCaMP青鳉黑素细胞（melano）和皮质细胞（cortico）中，450-490 nm 激发光照射期间荧光变化的代表性图像序列。
(B) 黑素细胞和皮质细胞GCaMP荧光变化的时间过程；n=5（雄性青鳉）。
(C) 在所指示波长（365、420、460、530、590、630 和 740 nm）光照射40秒后捕获的黑素细胞的代表性GCaMP荧光图像。所有光照射均调整为~200 (mmol m⁻² s⁻¹) 的光子通量密度积分总和。
(D) 各波长光刺激下黑素细胞GCaMP荧光变化的时间过程。光照射前后50秒荧光平均值的配对t检验，**P=0.0043 和 0.0057，*P=0.012 和 0.016；n=5（雄性青鳉）。
(E) 用蓝光（450-490 nm）激发光照射时，分离黑素细胞的代表性图像序列，显示荧光增加。
(F) 在使用\( Ca^{2+} \)自由ACSF、含100 mM CdCl₂ 或500 mM 2-APB的ACSF处理期间，黑素细胞对蓝激发光的\( Ca^{2+} \)响应。n=5 青鳉；*P=0.011；n.s.表示无显著性差异；Dunnet检验。比例尺：50 μm（A, C），25 μm（E）。数据以平均值±标准误差（SEM）表示。

图2
图 2 | Opn5m 是黑素细胞光敏感性的必要条件。

(A) 显示黑素细胞中 opn5m 表达的双原位杂交图像。R，头侧；C，尾侧。比例尺：50 μm。
(B) 重组 Opn5m 的吸收光谱。红线表示拟合光谱。
(C) 显示在激发光（450-490 nm）照射期间opn5m+/−和opn5m−/−青鳉黑素细胞荧光变化的代表性图像序列。比例尺：50 μm。
(D) 在蓝激发光照射期间，opn5m+/−和opn5m−/−青鳉黑素细胞GCaMP荧光变化的时间过程；n=5（雄性青鳉）。
(E) opn5m+/−和opn5m−/−青鳉黑素细胞对光照射的GCaMP荧光倍增变化。*P=0.012；n.s.表示无显著性差异；Student’s t 检验。
(F) HEK293A 细胞中表达的GCaMP6s（空载）或表达Opn5m和GCaMP6s的细胞在激发光（450-490 nm）照射期间的荧光变化代表性图像序列。比例尺：25 μm。

图3
图 3 | 垂体直接光感受对黑素细胞 \( Ca^{2+} \) 反应的关键作用。

(A) 半完整制备中通过光纤局部光照射的\( Ca^{2+} \)成像实验方案（腹侧视图）。白色LED分别照射视网膜或垂体。
(B, C) 分别对视网膜 (B) 和垂体 (C) 进行局部光照射时黑素细胞GCaMP荧光变化的时间过程；n=7（雄性青鳉）。
(D) 不同强度的白色LED刺激对垂体（蓝色）或视网膜（橙色）的影响。
(E) 在450-490 nm激发光照射期间，幼体黑素细胞GCaMP荧光变化的代表性图像序列。比例尺：12.5 μm。
(F) 幼体黑素细胞的GCaMP荧光变化时间过程；n=6 青鳉。数据以平均值±SEM 表示。

图4
图 4 | 由黑素细胞的直接光感受释放MSH，导致皮肤酪氨酸酶表达增加。

(A) 液相色谱-质谱分析结果显示垂体培养上清液中，在光或CRH刺激下的MSH释放量变化。n=5到8；*P<0.05；#P=0.055；Dunnet检验。
(B) opn5m+/+和opn5m−/−青鳉皮肤及头骨顶部酪氨酸酶表达量。n=6或5（雄性青鳉）；**P<0.01；Student’s t 检验。
(C) 在保留垂体背侧所有结构的制备中，使用氙灯刺激进行\( Ca^{2+} \)成像的实验方案及荧光变化时间过程。
(D) opn5m+/+ 和 opn5m−/− 青鳉在混合 UV 和白光 LED 光下暴露3天后，体内黑色素分布及体表不透明度的定量分析。比例尺：2 mm。n=6, 6（雄性青鳉）；*P<0.05；Student’s t 检验。

结论与展望

本文首次阐明了日本青鳉垂体黑色素细胞的光感受功能及其通过Opn5m介导的短波长光感应机制，为紫外线防护机制的理解提供了新见解。未来研究可进一步探讨这一机制在其他物种及生理功能中的广泛性，尤其是在光感与内分泌调控交叉领域中的应用。

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原文标题：Direct photoreception by pituitary endocrine cells regulates hormone release and pigmentation

Science 2025, 387, 43–48.

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