Nature | 不路痴的秘密：夜行游鸟的小小指南针——隐花色素蛋白CRY4作为磁感应受体发挥作用的机制
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当笔者开着某德地图，在路上/车站/地铁站茫然的时候，常常会想自己究竟是做错了什么才会生成一个路痴，而不是内置高级GPS的厉害角色。有的时候又想，如果不是在这高楼林立的大城市，而是有一双翅膀，会不会就不太容易迷路。《鸣鸟之旅》（Songbird Journeys）这本书中就为大家揭开了鸣禽类如何旅行、如何进行迁徙，同时鸣禽如何利用星星、偏振光以及磁场进行导航而不迷路。
Songbird Journeys, Mikoyo Chu
夜间迁徙的鸣鸟是非常优秀的导航员【1】。它们独自飞行，经常飞越很远的距离，同时它们会利用各种方向线索进行导航，其中最重要的便是光依赖的磁场指南针【2,3】。目前的一些研究表明这一机制可能是依赖于鸟类视网膜中隐花色素黄素蛋白中光诱导自由基对的量子自旋动力学【4,5】。但是到目前为止，明确使用依赖光的磁罗盘的迁徙动物身上尚未发现具有磁敏感性的隐花色素。
2021年6月23日，英国牛津大学P. J. Hore研究组、德国奥登堡大学Henrik Mouritsen研究组、英国牛津大学Christiane R. Timmel研究组、英国牛津大学Stuart R. Mackenzie研究组、中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心谢灿（Can Xie）研究组、德国奥登堡大学Ilia A. Solov’yov研究组以及德国奥登堡大学Jingjing Xu（第一作者）合作发文题为Magnetic sensitivity of cryptochrome 4 from a migratory songbird，鉴定发现了夜间迁徙欧洲知更鸟（Erithacus rubecula）中隐花色素蛋白CRY4（Cryptochrome 4）作为磁感应受体发挥作用的具体机制。
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可能是通过改变其蛋白C端尾部的构象来启动磁信号【6】。由此，作者们想到了一种表达于夜间迁徙欧洲知更鸟眼睛中的双锥和长波单锥感光细胞的隐花色素蛋白CRY4【7】可能会是指导其光化学和磁感应的关键因子。隐花色素中的[FAD•−TrpH•+]自由基对是由一个电子沿着由3个或4个色氨酸组成的链依次跳跃到光激发的、非共价结合的黄素腺嘌呤二核苷酸（Flavin adenine dinucleotide，FAD）发色团而形成的。除此之外，在黑暗中具有响应另一种隐花色素蛋白CRY1a【8】也有可能作为磁感应蛋白发挥作用，但是由于目前黑暗中自由基对还并不可知，而且由于脊椎动物中的CRY1a在体外结合FAD的能力很弱，因此作者们随后便将目光集中于CRY4的磁感应研究之上。
为了对CRY4的光化学以及磁感应特性进行探究，作者们表达纯化了野生型ErCRY4其中包含完全氧化的发色团FADox，FADox对于自由基对的形成非常关键，也是因此纯化的蛋白呈现黄色（图1）。ErCRY4包含一条由四个色氨酸残基组成的链，从FAD延伸到蛋白质表面（图1）。为了对这些色氨酸对自由基对产生的作用进行鉴定，作者们进行了蛋白的点突变实验，同时引入了多种光谱实验对CRY4的光化学特性进行探究。作者们发现当最最接近FAD的色氨酸被突变后，在瞬态吸收光谱测试时，检测不到自由基的生成，这意味着构成自由基对的电子供体缺失，表明色氨酸是不可或缺的电子供体。
图1 经离子交换色谱层析纯化的得到的CRY4蛋白及其电子传递途径
进一步地，作者们希望在更加接近生理环境的条件下对ErCRY4中自由基对的光吸收磁场效应进行检测，采用的测试条件为pH8，5℃。大多数鸟类的生理条件温度是40-43℃，pH约为7.3【9,10】。由于温度降低而引起的蛋白质电荷状态的变化主要是由于组氨酸侧链的酸碱平衡的改变，可以通过pH值的增加来逆转。在体外实验中pH=8、温度为5℃的情况相当于pH=7.3、温度为40-43℃。
作者们将候鸟与非候鸟鸽子（C. livia）以及鸡（G. gallus）的隐花色素蛋白磁感应特性进行比较分析，发现夜间迁徙欧洲知更鸟的CRY4蛋白磁敏感性明显大于非迁徙鸟类鸽子和鸡的CRY4蛋白。
随后，为了描绘ErCRY4电子传递的过程，作者们对ErCRY4的5种氧化还原态进行了分子动力学模拟，得到了电子沿色氨酸链进行转移的速率常数的预估值（图2），刻画了其电子传递的全过程，这并与体内磁感应蛋白必须在微秒级别感知和发送信号的特征需求相符合。
图2 隐花色素蛋白CRY4作为磁感应蛋白的工作模型
总的来说，作者们的工作鉴定发现了隐花色素蛋白作为夜间迁徙欧洲知更鸟体内磁感受器的作用，同时作者们发现与非迁徙的鸟类鸽子或者鸡相比夜间迁徙欧洲知更鸟中CRY4磁感应特性更敏感。为了确定CRY4是否真正在体内扮演磁受体分子的角色，未来需要对夜间迁徙欧洲知更鸟眼睛中的这种蛋白质进行直接的遗传操作，这样的实验将更有力地对CRY4作为磁受体的角色进行确认。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41586-021-03618-9
参考文献
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