重拾彩虹:基因疗法治疗色盲

基因干预治愈猴子的色盲

有充分的证据表明,男性和女性在思考、表达甚至体验情感方面存在差异(更多详情,请阅读本期内容)。但在感官知觉领域,心理学家很难找出重大差异。总的来说,两性体验生活中的声音、景象和气味的方式非常相似。最显著的例外可能存在于,至少对某些人来说,是对颜色的感知。

如您在学校时可能记得的那样,彩色视觉是一个复杂的过程。它始于眼睛的精细内层,一种称为视网膜的结构。视网膜组织包含感光细胞,这些细胞吸收可见光谱中的波长,并将其转化为电信号。大脑将这些信息解释为我们有意识体验到的绚丽色彩。称为视锥细胞的视网膜细胞有三种类型。S 型视锥细胞对短波长(蓝色)可见光谱部分的光最敏感,M 型视锥细胞对中波长反应最佳,L 型视锥细胞对长波长、偏红色的波长反应最佳。具有正常色觉的人被称为三色视者,因为他们拥有这三种感光视锥细胞。

大约 8% 的男性,但不到 1% 的女性,患有色觉障碍,通常是因为他们缺乏 L 型或 M 型光色素的基因。虽然他们的视力在其他方面都正常,但他们患有所谓的红绿色盲。根据涉及的具体基因缺失,这些人(被称为二色视者,因为他们只有两种类型的视锥细胞)无法区分紫色、淡紫色和紫红色,也无法区分红色、橙色、黄色和绿色。


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这并不是一个巨大的障碍,但它可能会使交通信号灯(尤其是水平信号灯)以及闪烁黄色或红色的警示灯难以辨认。而且,对红色色调的不敏感几乎使二色视者无法察觉晒伤的开始。(对面页面的照片显示了通过色盲的眼睛看到的病态肤色。)

色盲在男孩和男性中更为常见的原因是,L 型和 M 型光色素(视锥细胞中吸收光的物质)的两个基因都位于 X 染色体上。从父母那里遗传到一个此类基因缺陷副本的女孩,在她的另一条 X 染色体上有一个备份。由于男性只有一条 X 染色体(他们的配对性染色体是 Y),他们就吃亏了。有趣的是,同样由于遗传学的偶然性,一些女性天生具有四种感光视锥细胞,而不是标准的三种。理论上,这些所谓的四色视者可以识别我们其他人无法区分的细微阴影;然而,这种现象很难通过实验证实。

颜色校正
与人类不同,大多数哺乳动物只拥有两种视网膜视锥细胞。因此,小鼠、猫和狗看到的世界与红绿色盲患者非常相似,这使它们成为理想的实验对象。几年前,约翰·霍普金斯大学医学院的科学家将人类 L 型光色素的基因插入小鼠体内。经过几代繁殖,小鼠对额外的色调信息做出了反应。它们已经从二色视者变成了三色视者,这是一项非凡的生物工程壮举。该实验还表明,小鼠的大脑足够灵活,可以接收和利用额外的波长信息。

一项历时十多年的更雄心勃勃的实验最近取得了成果。这项实验由华盛顿大学医学院的 Jay Neitz 和 Maureen Neitz 夫妇及其合作者进行。这项工作涉及松鼠猴,一种中美洲和南美洲的原生物种。在这些灵长类动物中,大多数雌性是三色视者,但雄性是二色视者,只拥有 S 型和 M 型光色素。因此,是雌性带领猴群在树叶中寻找成熟的水果,这是一项需要卓越颜色辨别能力的任务。

Neitz 夫妇想知道:基因疗法能否“治愈”雄性猴子的色盲?为了找出答案,生物学家开发了一种方法,将人类 L 型光色素的基因整合到一种称为腺相关病毒的小病毒中。接下来,他们将数万亿个病毒颗粒注射到猴子的眼睛中。二十周后,动物视网膜中多达三分之一的 M 型视锥细胞开始表达 L 型光色素。换句话说,猴子现在不是有两种,而是有三种视锥细胞类型:除了它们原有的 S 型和 M 型视锥细胞外,它们还拥有新的 M 型视锥细胞,其敏感性已转向光谱的长波长部分。

关键问题是,动物中央神经系统的其余部分是否可以重新编程自身以利用这些额外的信息。Neitz 夫妇使用计算机管理的颜色测试证明,经过治疗的猴子,就像早期实验中的小鼠一样,确实可以区分颜色。

猴子的新颜色意识在光色素在它们的视网膜中表达后立即出现。缺乏延迟表明,预先存在的视网膜和皮层回路可以整合额外的信息;不需要耗时的重新布线。这也暗示了从双视锥细胞颜色视觉到三视锥细胞颜色视觉的进化过渡可能是如何发生的。

从猴子到人
在 Neitz 夫妇的实验两年后,他们猴子的色觉仍然发生了转变。作为谨慎的科学家,他们不对猴子是否看到新的红色色调表态。但我找不到任何原则性理由来否认这一点。三色视觉的视网膜机制是存在的,猴子的行为表明它们体验到了这些色调。在几年内,电生理学和功能成像实验将告诉我们,动物是否在专门用于颜色感知的视觉皮层区域显示出增加的处理。我敢打赌一百比一,它们会的。

该实验中使用的病毒是安全的——它不会自行复制,不会引起疾病,只会引发轻微的免疫反应——并且已获准用于人类基因治疗。因此,这种技术可以被改造以帮助色盲患者正常看到颜色。仅在美国,这种情况就影响了数百万人。如果基因疗法的风险收益比能够得到显著改善,那么潜在的治愈方法可能会对很大一部分人类的感知能力产生巨大的影响。

Jay Neitz 认为,这种手术总有一天会变得像屈光手术(如 Lasek 手术)一样安全。Neitz 夫妇开创的方法,以及我在上一专栏中讨论的光遗传学技术[参见“驾驭生物电流”,2010 年 3 月/4 月刊]很可能很快就能让(色)盲重见光明。

当然,没有理由就此止步。为什么不增强视觉体验,让我们当中更爱冒险的人拥有四色视觉?或者将可见窗口向上扩展到紫外线,或向下扩展到红外线,以获得超人般的视觉?感谢尖端的分子生物学,我们可以看到通往超人类未来的道路。

(延伸阅读)

  • 小鼠工程化表达人类视锥光色素后出现新的颜色视觉。G. H. Jacobs、G. A. Williams、H. Cahill 和 J. Nathans,发表于《科学》,第 315 卷,第 1723–1725 页;2007 年 3 月。

  • 成人灵长类动物红绿色盲的基因治疗。K. Mancuso、W. W. Hauswirth、Q. Li、T. B. Connor、J. A. Kuchenbecker、M. C. Mauck、J. Neitz 和 M. Neitz,发表于《自然》,第 461 卷,第 784–787 页;2009 年 10 月。

克里斯托夫·科赫是一位在艾伦研究所和 Tiny Blue Dot 基金会工作的神经科学家,曾任艾伦脑科学研究所所长,并曾任加州理工学院教授。他的最新著作是《然后我就是世界本身》。科赫定期为包括《大众科学》在内的多家媒体撰稿。他住在太平洋西北地区。

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SA Mind Vol 21 Issue 2本文最初以“意识重塑:重拾彩虹”为标题发表于 SA Mind 第 21 卷第 2 期(),第 16 页
doi:10.1038/scientificamericanmind0510-16
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