Les photorécepteurs à mélanopsine des mammifères sont remarquablement conservés à travers 22 espèces

Melanopsin (OPN4) est un récepteur couplé aux protéines G exprimé dans les cellules ganglionnaires de la rétine intrinsèquement photosensibles (ipRGCs), qui orchestre la photoentraînement circadien, le réflexe pupillaire à la lumière et d'autres comportements non visuels médiés par la lumière. Malgré son importance biologique, les règles moléculaires régissant son accord spectral — le mécanisme par lequel la composition en acides aminés détermine la sensibilité au pic de longueur d'onde (λmax) — sont restées largement inconnues dans l'ensemble des mammifères.

Des chercheurs de l'Université de Manchester ont synthétisé l'ADNc de la mélanopsine à partir de 8 espèces de mammifères diverses — notamment la chauve-souris fer à cheval, le rat-taupe, le spermophile rayé, la baleine boréale, le lamantin, le renne, l'ornithorynque et le dunnart à queue grasse — et les ont exprimés dans des cellules HEK293T supplémentées en 11-cis rétinal. À l'aide d'un rapporteur calcique luminescent (aequorine) et de 6 impulsions lumineuses spectralement distinctes couvrant une gamme d'intensités, ils ont utilisé une approche de modélisation par bootstrap pour déterminer le λmax prédisant au mieux l'amplitude de réponse en fonction des longueurs d'onde et des intensités. Les résultats ont été combinés aux données publiées précédemment portant sur 14 espèces supplémentaires, afin de constituer le jeu de données spectral de la mélanopsine chez les mammifères le plus complet à ce jour.

Sur l'ensemble des 22 espèces, le λmax de la mélanopsine s'inscrivait dans une fenêtre étroite de 23 nm — de 474 nm (spermophile rayé) à 497 nm (ornithorynque) — avec une moyenne de groupe de 484,4 nm. Cette plage est comparable à la variation de l'opsine des bâtonnets (RH1) entre les mêmes espèces (~19 nm), et bien inférieure à la variation observée chez les opsines des cônes (SWS1 : 359–450 nm ; MWS : 490–567 nm). De manière cruciale, cette variation ne présentait pas de forte corrélation avec la parenté phylogénétique, l'écologie lumineuse (diurne, nocturne, crépusculaire ou aquatique) ou l'anatomie rétinienne. Par exemple, les mammifères aquatiques (lamantin et baleine boréale) présentaient des valeurs de λmax proches de la moyenne des mammifères, malgré le puissant filtrage spectral des longueurs d'onde plus longues par l'eau — un contraste avec les opsines des bâtonnets décalées vers le rouge observées dans des niches similaires.

Pour explorer les bases moléculaires de l'accord spectral, l'équipe a construit des modèles par homologie de la mélanopsine sur la base de la rhodopsine du calmar, et a identifié tous les résidus dont les chaînes latérales se trouvaient à moins de 10 Å de l'anneau β-ionone du chromophore rétinal ou de la lysine de la base de Schiff. La mutagenèse dirigée de la mélanopsine de souris ciblant les résidus polaires dans la poche de liaison du rétinal (notamment les substitutions A197S et F302Y) a permis d'obtenir des décalages vers le rouge et vers le bleu du λmax. Cependant, l'ampleur et la direction de ces décalages ne pouvaient pas être prédites de manière fiable par les règles d'accord spectral établies pour les opsines visuelles des vertébrés ou les opsines des invertébrés, indiquant que la mélanopsine met en œuvre des mécanismes photochimiques au moins partiellement distincts.

Ces résultats suggèrent que la sensibilité spectrale de la mélanopsine chez les mammifères est soumise à une forte contrainte évolutive, stabilisée autour de 480 nm indépendamment des pressions écologiques qui reconfigurent pourtant radicalement la sensibilité des pigments des cônes et des bâtonnets. Les mécanismes d'accord uniques en jeu restent incomplètement compris et constituent une priorité pour les futures études structurales et fonctionnelles.