I sensori di luce melanopsina nei mammiferi sono notevolmente conservati in 22 specie

Melanopsina (OPN4) è un recettore accoppiato a proteine G espresso nelle cellule gangliari della retina intrisicamente fotosensibili (ipRGC) che orchestra il fotoentrain circadiano, il riflesso pupillare alla luce e altri comportamenti non visivi mediati dalla luce. Nonostante la sua importanza biologica, le regole molecolari che governano la sua accordatura spettrale — il meccanismo mediante il quale la composizione aminoacidica determina la sensibilità di picco alla lunghezza d'onda (λmax) — erano rimaste in gran parte sconosciute nell'ambito dei mammiferi.

Ricercatori dell'Università di Manchester hanno sintetizzato cDNA di melanopsina da 8 diverse specie di mammiferi — tra cui pipistrello ferrodiavolo, ratto talpa, scoiattolo terricolo delle tredici strie, balena della Groenlandia, lamantino, renna, ornitorinco e dunnart dalla coda grassa — e le hanno espresse in cellule HEK293T supplementate con 11-cis retinale. Utilizzando un reporter luminescente del calcio (equorina) e 6 impulsi di luce spettralmente distinti su un range di intensità, hanno adottato un approccio di modellazione bootstrap per determinare il λmax che meglio prevedeva l'ampiezza della risposta attraverso lunghezze d'onda e intensità. I risultati sono stati combinati con dati precedentemente pubblicati di 14 specie aggiuntive per creare il dataset spettrale della melanopsina dei mammiferi più completo fino ad oggi.

In tutte le 22 specie, il λmax della melanopsina rientrava in una finestra ristretta di 23 nm — da 474 nm (scoiattolo terricolo delle tredici strie) a 497 nm (ornitorinco) — con una media di gruppo di 484,4 nm. Questo intervallo è paragonabile alla variazione dell'opsina dei bastoncelli (RH1) nelle stesse specie (~19 nm), ed è di gran lunga inferiore alla variazione osservata nelle opsine dei coni (SWS1: 359–450 nm; MWS: 490–567 nm). Significativamente, questa variazione non ha mostrato una forte correlazione con la parentela filogenetica, l'ecologia luminosa (diurna, notturna, crepuscolare o acquatica) o l'anatomia retinica. Ad esempio, i mammiferi acquatici (lamantino e balena della Groenlandia) presentavano valori di λmax vicini alla media dei mammiferi nonostante la forte filtrazione spettrale delle lunghezze d'onda più lunghe operata dall'acqua — un contrasto rispetto alle opsine dei bastoncelli spostate verso il rosso osservate in nicchie simili.

Per indagare la base molecolare dell'accordatura spettrale, il gruppo ha costruito modelli di omologia della melanopsina sulla rodopsina del calamaro e ha identificato tutti i residui con catene laterali entro 10 Å dall'anello β-ionone del cromoforo retinale o dalla lisina della base di Schiff. La mutagenesi sito-diretta della melanopsina di topo rivolta verso i residui polari nella tasca di legame del retinale (in particolare le sostituzioni A197S e F302Y) ha prodotto con successo sia spostamenti verso il rosso che verso il blu del λmax. Tuttavia, l'entità e la direzione degli spostamenti non potevano essere previste in modo affidabile dalle regole di accordatura spettrale stabilite per le opsine visive dei vertebrati o le opsine degli invertebrati, indicando che la melanopsina utilizza meccanismi fotochimici almeno parzialmente distinti.

Questi risultati suggeriscono che la sensibilità spettrale della melanopsina nei mammiferi è soggetta a un forte vincolo evolutivo, stabilizzata intorno a 480 nm indipendentemente dalle pressioni ecologiche che rimodellano drasticamente la sensibilità dei pigmenti dei coni e dei bastoncelli. I meccanismi di accordatura unici coinvolti rimangono incompletamente compresi e rappresentano una priorità per futuri studi strutturali e funzionali.