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成都生物所在蛙類洞穴適應的色素調節和進化機制方面取得進展
发表日期: 2018-08-13 作者: 朱未 文章來源:兩爬室
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 洞穴適應是一種極端而有趣的生物學現象。在兩棲動物中,紅點齒蟾(Oreolalax rhodostigmatus)很好地適應了洞穴生活,其蝌蚪常年生活于喀斯特地貌的溶洞中,皮膚透明;而其成體則需要在洞外捕食,背部皮膚整體呈現深黑色。同時,暴露于自然光下的蝌蚪會在15小時候從透明變爲灰黑色。提示其色素系統特別,既需要保證無光條件下極低的色素分布,又要保證光照下迅速的皮膚色素覆蓋,以抵禦紫外線。

 

1 光線暴露下紅點齒蟾的快速黑化現象。

 针对这一有趣的现象,中國科學院成都生物研究所江建平研究团队的朱未、王斌等人比较了不同光照时间暴露后紅點齒蟾的基因表达变化,发现光照下紅點齒蟾蝌蚪皮肤黑化的本质是黑色素细胞的增殖和黑色素的从头合成(形态学颜色改变),而非色素在细胞内的分散与聚集(生理学颜色改变)。一般而言,形态学颜色改变的速率远远慢于生理学颜色改变(数小时),往往需要数天到数周的时间才能观察到明显的变化。那么紅點齒蟾蝌蚪是如何实现快速的形态学颜色改变呢?分析表明,光照激活了强烈的细胞增殖和分裂信号,包括:各类生长因子(PDGFFGFHGF等)信號及其下遊的MAPK信號和PI3K-Akt信號,其爲快速的形態學改變提供了基礎。

 更爲重要的是,該團隊發現紅點齒蟾的M1CR基因(黑素細胞刺激荷爾蒙受體)的第二跨膜螺旋與第三跨膜螺旋之間的胞外區存在4個氨基酸片段的缺失,該區域位于MC1R配體結合域。MC1R是黑色素細胞增殖和色素合成的關鍵受體,其配體爲帶正電荷的α-MSH(黑色素細胞刺激荷爾蒙),其受紫外線刺激而釋放。蛋白三維重構表明,該片段缺失導致紅點齒蟾的MC1R第三跨膜螺旋延長,同時使得3Asp殘基(其他蛙僅1個)串联排列于配体口袋中,形成一個带负电荷的陷阱样结构,从而增强对MSH信號的響應,實現快速黑化。另外,研究證實了MC1R配體結合域的正電荷水平與其本底活性正相關,自然界的許多黑化現象(如:黑化美洲豹、黑化老鼠、黑化狐狸等)均與該區域的堿化或去酸化突變有關。紅點齒蟾MC1R的配體結合域有3Asp負電荷,可以推測其具有較低的本底活性,也爲洞穴環境下的透明表型提供了解釋。因此,MC1R的片段缺失和氨基酸突變是紅點齒蟾在色素調節方面適應洞穴環境的關鍵。該研究首次揭示了MC1R突變與兩棲類色素適應的關聯,也爲非專性洞穴物種的顔色適應機制提供了新的視角。相關成果發表于BMC genomics

 該研究獲得了院重點部署項目,自然科學基金面上項目和西部之光項目的支持。

 原文鏈接

2 紅點齒蟾MC1R基因片段缺失及其對三維結構和電荷性質的影響。

3 MC1R的突变解释了紅點齒蟾如何实现洞穴中维持透明表型以及光照下快速色素生成。


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