重拾彩虹:基因療法治療色盲

基因干預治癒猴子的色盲

有充分的證據表明,男性和女性在思考、表達甚至體驗情感方面存在差異(更多詳情,請閱讀本期內容)。但在感官知覺領域,心理學家很難找出重大差異。總的來說,兩性體驗生活中的聲音、景象和氣味的方式非常相似。最顯著的例外可能存在於,至少對某些人來說,是對顏色的感知。

如您在學校時可能記得的那樣,彩色視覺是一個複雜的過程。它始於眼睛的精細內層,一種稱為視網膜的結構。視網膜組織包含感光細胞,這些細胞吸收可見光譜中的波長,並將其轉化為電訊號。大腦將這些資訊解釋為我們有意識體驗到的絢麗色彩。稱為視錐細胞的視網膜細胞有三種類型。S 型視錐細胞對短波長(藍色)可見光譜部分的光最敏感,M 型視錐細胞對中波長反應最佳,L 型視錐細胞對長波長、偏紅色的波長反應最佳。具有正常色覺的人被稱為三色視者,因為他們擁有這三種感光視錐細胞。

大約 8% 的男性,但不到 1% 的女性,患有色覺障礙,通常是因為他們缺乏 L 型或 M 型光色素的基因。雖然他們的視力在其他方面都正常,但他們患有所謂的紅綠色盲。根據涉及的具體基因缺失,這些人(被稱為二色視者,因為他們只有兩種型別的視錐細胞)無法區分紫色、淡紫色和紫紅色,也無法區分紅色、橙色、黃色和綠色。


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這並不是一個巨大的障礙,但它可能會使交通訊號燈(尤其是水平訊號燈)以及閃爍黃色或紅色的警示燈難以辨認。而且,對紅色色調的不敏感幾乎使二色視者無法察覺曬傷的開始。(對面頁面的照片顯示了透過色盲的眼睛看到的病態膚色。)

色盲在男孩和男性中更為常見的原因是,L 型和 M 型光色素(視錐細胞中吸收光的物質)的兩個基因都位於 X 染色體上。從父母那裡遺傳到一個此類基因缺陷副本的女孩,在她的另一條 X 染色體上有一個備份。由於男性只有一條 X 染色體(他們的配對性染色體是 Y),他們就吃虧了。有趣的是,同樣由於遺傳學的偶然性,一些女性天生具有四種感光視錐細胞,而不是標準的三種。理論上,這些所謂的四色視者可以識別我們其他人無法區分的細微陰影;然而,這種現象很難透過實驗證實。

顏色校正
與人類不同,大多數哺乳動物只擁有兩種視網膜視錐細胞。因此,小鼠、貓和狗看到的世界與紅綠色盲患者非常相似,這使它們成為理想的實驗物件。幾年前,約翰·霍普金斯大學醫學院的科學家將人類 L 型光色素的基因插入小鼠體內。經過幾代繁殖,小鼠對額外的色調資訊做出了反應。它們已經從二色視者變成了三色視者,這是一項非凡的生物工程壯舉。該實驗還表明,小鼠的大腦足夠靈活,可以接收和利用額外的波長資訊。

一項歷時十多年的更雄心勃勃的實驗最近取得了成果。這項實驗由華盛頓大學醫學院的 Jay Neitz 和 Maureen Neitz 夫婦及其合作者進行。這項工作涉及松鼠猴,一種中美洲和南美洲的原生物種。在這些靈長類動物中,大多數雌性是三色視者,但雄性是二色視者,只擁有 S 型和 M 型光色素。因此,是雌性帶領猴群在樹葉中尋找成熟的水果,這是一項需要卓越顏色辨別能力的任務。

Neitz 夫婦想知道:基因療法能否“治癒”雄性猴子的色盲?為了找出答案,生物學家開發了一種方法,將人類 L 型光色素的基因整合到一種稱為腺相關病毒的小病毒中。接下來,他們將數萬億個病毒顆粒注射到猴子的眼睛中。二十週後,動物視網膜中多達三分之一的 M 型視錐細胞開始表達 L 型光色素。換句話說,猴子現在不是有兩種,而是有三種視錐細胞型別:除了它們原有的 S 型和 M 型視錐細胞外,它們還擁有新的 M 型視錐細胞,其敏感性已轉向光譜的長波長部分。

關鍵問題是,動物中央神經系統的其餘部分是否可以重新程式設計自身以利用這些額外的資訊。Neitz 夫婦使用計算機管理的顏色測試證明,經過治療的猴子,就像早期實驗中的小鼠一樣,確實可以區分顏色。

猴子的新顏色意識在光色素在它們的視網膜中表達後立即出現。缺乏延遲表明,預先存在的視網膜和皮層迴路可以整合額外的資訊;不需要耗時的重新佈線。這也暗示了從雙視錐細胞顏色視覺到三視錐細胞顏色視覺的進化過渡可能是如何發生的。

從猴子到人
在 Neitz 夫婦的實驗兩年後,他們猴子的色覺仍然發生了轉變。作為謹慎的科學家,他們不對猴子是否看到新的紅色色調錶態。但我找不到任何原則性理由來否認這一點。三色視覺的視網膜機制是存在的,猴子的行為表明它們體驗到了這些色調。在幾年內,電生理學和功能成像實驗將告訴我們,動物是否在專門用於顏色感知的視覺皮層區域顯示出增加的處理。我敢打賭一百比一,它們會的。

該實驗中使用的病毒是安全的——它不會自行復制,不會引起疾病,只會引發輕微的免疫反應——並且已獲准用於人類基因治療。因此,這種技術可以被改造以幫助色盲患者正常看到顏色。僅在美國,這種情況就影響了數百萬人。如果基因療法的風險收益比能夠得到顯著改善,那麼潛在的治癒方法可能會對很大一部分人類的感知能力產生巨大的影響。

Jay Neitz 認為,這種手術總有一天會變得像屈光手術(如 Lasek 手術)一樣安全。Neitz 夫婦開創的方法,以及我在上一專欄中討論的光遺傳學技術[參見“駕馭生物電流”,2010 年 3 月/4 月刊]很可能很快就能讓(色)盲重見光明。

當然,沒有理由就此止步。為什麼不增強視覺體驗,讓我們當中更愛冒險的人擁有四色視覺?或者將可見視窗向上擴充套件到紫外線,或向下擴充套件到紅外線,以獲得超人般的視覺?感謝尖端的分子生物學,我們可以看到通往超人類未來的道路。

(延伸閱讀)

  • 小鼠工程化表達人類視錐光色素後出現新的顏色視覺。G. H. Jacobs、G. A. Williams、H. Cahill 和 J. Nathans,發表於《科學》,第 315 卷,第 1723–1725 頁;2007 年 3 月。

  • 成人靈長類動物紅綠色盲的基因治療。K. Mancuso、W. W. Hauswirth、Q. Li、T. B. Connor、J. A. Kuchenbecker、M. C. Mauck、J. Neitz 和 M. Neitz,發表於《自然》,第 461 卷,第 784–787 頁;2009 年 10 月。

克里斯托夫·科赫是一位在艾倫研究所和 Tiny Blue Dot 基金會工作的神經科學家,曾任艾倫腦科學研究所所長,並曾任加州理工學院教授。他的最新著作是《然後我就是世界本身》。科赫定期為包括《大眾科學》在內的多家媒體撰稿。他住在太平洋西北地區。

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SA Mind Vol 21 Issue 2本文最初以“意識重塑:重拾彩虹”為標題發表於 SA Mind 第 21 卷第 2 期(),第 16 頁
doi:10.1038/scientificamericanmind0510-16
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