《Vision Research》：Investigating ethnicity-related variability in the human L-cone spectral sensitivity function
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本研究旨在探究人类L-视锥细胞光谱敏感度函数的族群差异。研究人员围绕编码L-视锥感光色素的OPN1LW基因第180位点S180/A180多态性，通过文献回顾和gnomAD基因组数据库分析，系统评估了该等位基因频率在不同报告族群（如高加索、东亚、非洲裔等）间的分布差异。结果表明，L(A180)等位基因频率存在显著的族群间异质性，这意味着基于历史样本（主要为高加索人群）构建的标准观察者锥细胞基本函数可能无法平等地代表所有人群。该研究揭示了“一刀切”标准模型的局限性，为未来开发更个性化、更具包容性的色彩视觉模型提供了关键的遗传学依据和推动力。
你是否想过，为什么不同的人看到的颜色可能略有不同？这背后，是人类视觉系统精密的生物机制。我们的色彩视觉主要依赖于视网膜上三种对长、中、短波长敏感的视锥细胞，其中对长波长最敏感的L-视锥细胞扮演了关键角色。为了统一描述人类视觉，国际照明委员会（CIE）等机构制定了“标准观察者”模型，广泛应用于显示设计、照明工程等领域。然而，一个长期存在的问题是：这个所谓的“标准”真的能代表所有人吗？越来越多的证据表明，即使在色觉正常的人群中，视锥细胞的光谱敏感度也存在系统性的个体差异。这些差异一部分来源于眼球内光线到达感光细胞前所经过的透镜和黄斑色素的滤过作用，另一部分则直接源于感光色素本身的差异。其中，编码L-视锥感光色素的OPN1LW基因上一个常见的单核苷酸多态性（SNP）——第180位密码子由丝氨酸（S180）变为丙氨酸（A180）——可导致L-视锥光谱敏感度峰值波长产生约2-7纳米的偏移，进而改变L与M视锥信号之间的相关性，足以在心理物理任务中产生可测量的差异。长期以来，学界广泛引用的估计是L(S180)和L(A180)等位基因在人群中的频率分别为56%和44%。但这一经典数据主要基于上世纪80至2000年代美国和英国实验室的研究，其参与者库主要来自相对同质的高加索人群。那么，在全球多样化的族群中，这一基因变异的分布情况如何？基于历史样本构建的标准模型，是否对历史上代表性不足的群体存在偏差？为了回答这些问题，牛津大学的研究团队开展了一项研究，其成果发表在《Vision Research》期刊上。
研究人员主要运用了两种关键技术方法：一是对既往文献进行系统性回顾，收集并重新分析了报告L(S180)/L(A180)基因型频率或L-视锥峰值光谱敏感度测量的已发表研究；二是对大规模公共基因组数据库gnomAD（v2.1.1）进行分析，该数据库汇总了来自多个大型项目的125,748个外显子组和15,708个全基因组序列，并按主要族群标签（如拉丁裔/混血美洲人、阿什肯纳兹犹太人、欧洲非芬兰人、南亚、东亚、非洲/非裔美国人等）报告了等位基因频率摘要。研究人员从该数据库中提取了OPN1LW基因上S180/A180多态性的估计频率，用于评估跨族群的相对差异。
L(A180)频率在既往文献中的族群差异
文献综述结果显示，被广泛引用的44% L(A180)估计值源自总计304名观察者（主要为高加索男性）的四个队列。而针对其他族群的研究表明，等位基因频率存在显著差异：在日本男性个体中，L(A180)频率显著较低（约16%-21%）；在非洲/非裔美国男性个体中，该频率更低（约4%）。这些数据表明，L(A180)等位基因的频率并非全球一致，在历史上被充分研究的群体（高加索人群）中更为常见。
gnomAD数据集分析结果
对gnomAD数据库的分析进一步证实并扩展了上述发现。数据显示，不同族群间的L(A180)等位基因频率存在显著差异。例如，大约四分之一（26%）的欧洲（非芬兰）个体携带L(A180)等位基因，而在东亚个体中这一比例降至约十分之一（9%），在非洲/非裔美国个体中仅为二十分之一（5%）。所有主要族群之间的两两比较（经多重比较校正后）均显示出显著性差异。这清晰地表明，L-视锥感光色素的遗传变异在不同族群中的分布是不均衡的。
研究结论与讨论
本研究通过整合文献证据和大型基因组数据库分析，汇聚了强有力的证据，表明L(S180)和L(A180)等位基因的频率存在显著的族群间差异。这一发现对标准观察者锥细胞基本函数的构建和应用提出了重要挑战。因为当前的标准模型（如Stockman & Sharpe模型）是L(S180)和L(A180)变体的光谱敏感度函数的加权平均，其权重正是基于历史上对高加索人群的等位基因频率估计。因此，当将这些标准函数应用于L(A180)等位基因频率截然不同的族群（如东亚或非洲裔人群）时，其代表性将大打折扣，可能导致在这些群体中出现更大的观察者同色异谱现象。
研究人员在讨论中指出，虽然gnomAD数据在揭示相对差异方面极具价值，但由于短读长测序技术在高度同源的OPN1LW/OPN1MW基因簇上面临的挑战，其给出的绝对频率估计值需谨慎解读，不宜直接用于修订标准观察者的权重。更重要的是，L(S180/A180)多态性只是个体差异的来源之一。完整的光谱敏感度函数还受到其他OPN1LW/OPN1MW基因变异、视色素光学密度、以及晶状体和黄斑色素等接收前滤光作用个体差异的影响。这些因素共同导致了色彩匹配和锥细胞光谱敏感度的广泛个体差异。
因此，该研究强调了推动个性化锥细胞基本函数发展的重要性。未来的方向包括在更大、更多样化的样本中直接测量色彩匹配函数和锥细胞光谱敏感度，并结合基因分型和接收前滤光估计，建立个体化的视觉模型。随着基于LED的多原色色度计等新技术的出现，大规模、个性化测量正变得可行。这种从“单一标准”向“个性化模型”的范式转变，将使色彩科学和技术（如显示器、照明设计）不仅能更准确地服务于普通“平均”观察者，也能更好地适应全球不同族群和个体的真实视觉特性，从而推动建立更具包容性和公平性的色彩标准与应用。总而言之，这项研究不仅揭示了人类色彩视觉遗传基础的族群多样性，也为下一代色彩视觉模型的精准化与个性化发展奠定了关键的实证基础。
