Los fotorreceptores de melanopsina en mamíferos están notablemente conservados en 22 especies

La melanopsina (OPN4) es un receptor acoplado a proteína G expresado en células ganglionares de la retina intrínsecamente fotosensibles (ipRGCs) que coordina la fotoentrenamient circadiana, el reflejo pupilar a la luz y otros comportamientos no visuales mediados por la luz. A pesar de su importancia biológica, las reglas moleculares que rigen su sintonización espectral —el mecanismo por el cual la composición de aminoácidos determina la sensibilidad máxima de longitud de onda (λmax)— permanecían en gran medida desconocidas en el conjunto de los mamíferos.

Investigadores de la Universidad de Manchester sintetizaron el ADNc de melanopsina a partir de 8 especies de mamíferos diversas —incluyendo el murciélago de herradura, la rata topo, la ardilla de tierra de trece líneas, la ballena de Groenlandia, el manatí, el reno, el ornitorrinco y la dunnart de cola grasa— y las expresaron en células HEK293T suplementadas con 11-cis retinal. Empleando un reportero de calcio luminiscente (aequorina) y 6 pulsos de luz espectralmente distintos a lo largo de un rango de intensidades, utilizaron un enfoque de modelado bootstrap para determinar el λmax que mejor predecía la amplitud de respuesta en función de las longitudes de onda e intensidades. Los resultados se combinaron con datos publicados previamente de 14 especies adicionales para crear el conjunto de datos espectrales de melanopsina en mamíferos más exhaustivo hasta la fecha.

En las 22 especies analizadas, el λmax de la melanopsina se situó dentro de una estrecha ventana de 23 nm —desde los 474 nm (ardilla de tierra de trece líneas) hasta los 497 nm (ornitorrinco)—, con una media grupal de 484,4 nm. Este rango es comparable a la variación de la opsina de bastones (RH1) en las mismas especies (~19 nm), y considerablemente menor que la variación observada en las opsinas de conos (SWS1: 359–450 nm; MWS: 490–567 nm). De forma notable, esta variación no mostró una correlación sólida con el parentesco filogenético, la ecología lumínica (diurna, nocturna, crepuscular o acuática) ni la anatomía retiniana. Por ejemplo, los mamíferos acuáticos (manatí y ballena de Groenlandia) presentaron valores de λmax próximos a la media de los mamíferos, a pesar del intenso filtrado espectral de las longitudes de onda más largas que ejerce el agua —un contraste con las opsinas de bastones desplazadas hacia el rojo observadas en nichos similares.

Para investigar las bases moleculares de la sintonización espectral, el equipo construyó modelos de homología de la melanopsina basándose en la rodopsina de calamar e identificó todos los residuos con cadenas laterales dentro de los 10 Å del anillo β-ionona del cromóforo retinal o de la lisina de la base de Schiff. La mutagénesis dirigida de la melanopsina de ratón, dirigida a residuos polares en el bolsillo de unión al retinal (especialmente las sustituciones A197S y F302Y), produjo con éxito desplazamientos tanto hacia el rojo como hacia el azul en el λmax. Sin embargo, la magnitud y la dirección de dichos desplazamientos no pudieron predecirse de manera fiable mediante las reglas de sintonización espectral establecidas para las opsinas visuales de vertebrados o las opsinas de invertebrados, lo que indica que la melanopsina emplea mecanismos fotoquímicos al menos parcialmente distintos.

Estos hallazgos sugieren que la sensibilidad espectral de la melanopsina en mamíferos está sujeta a una fuerte restricción evolutiva, estabilizada en torno a los 480 nm con independencia de las presiones ecológicas que remodelan drásticamente la sensibilidad de los pigmentos de conos y bastones. Los mecanismos de sintonización específicos involucrados permanecen incompletamente comprendidos y representan una prioridad para futuros estudios estructurales y funcionales.