RSS订阅

科普天地

小鼠毛色变化的分子成因

2019年10月30日 浏览量: 评论(0) 来源:实验动物那些事儿 作者:科研民工 责任编辑:yjcadmin
摘要:在上一篇文章《小鼠的毛色是如何形成的?》中我们通过四个主要位点A、B、C、D分析了小鼠毛色成因。这四个主要毛色相关基因中B位点、C位点和D位点的功能变化较容易理解。如C位点基因通过控制色素颗粒的起始合成决定毛色的有无,有活性(C/C或C/c)毛发着色,无活性(c/c)则为白化。而A位点则比较特殊,其表达产物ASP以间接方式控制着黑色素细胞选择哪条生产线进行色素颗粒的合成,同时又在毛囊周期的不同时间窗口表达,细心的读者朋友们一定会问,是什么样的突变导致Ay小鼠的黑色素细胞只选择合成褐黑色素,又是什么样的突变让C57BL系列小鼠的黑色素细胞只合成真黑色素?这些问题的解答则需要在分子生物学时代到来之后才有可能。
在上一篇文章《小鼠的毛色是如何形成的?中我们通过四个主要位点ABCD分析了小鼠毛色成因。这四个主要毛色相关基因中B位点、C位点和D位点的功能变化较容易理解。如C位点基因通过控制色素颗粒的起始合成决定毛色的有无,有活性(C/CC/c)毛发着色,无活性(c/c)则为白化。而A位点则比较特殊,其表达产物ASP以间接方式控制着黑色素细胞选择哪条生产线进行色素颗粒的合成,同时又在毛囊周期的不同时间窗口表达,细心的读者朋友们一定会问,是什么样的突变导致Ay小鼠的黑色素细胞只选择合成褐黑色素,又是什么样的突变让C57BL系列小鼠的黑色素细胞只合成真黑色素?这些问题的解答则需要在分子生物学时代到来之后才有可能。
 

PCR扩增和DNA测序技术建立后,不同小鼠A位点基因的神秘面纱逐渐被揭开。我们知道一个基因在组成上可以分为调控区(如启动子区)和编码区,调控区负责基因何时何地(不同组织或细胞)表达,编码区负责编码蛋白质。编码ASP信号蛋白的基因也不例外,也是由调控区和编码区构成。ASP基因的上游调控区中包含一个受毛囊周期调控的启动子,在毛囊发生周期的特定时段通过与RNA聚合酶结合,以ASP编码区为模板合成mRNA通过PCR产物测序发现在野生型ASP基因启动子区上游与Raly基因相邻,而Ay突变则在这两个相邻基因间缺失了170 kb长的DNA片段,该片段包含了Raly基因编码区和ASP基因整个调控区。这种缺失导致ASP丧失了原有的毛囊周期启动子,转而由Raly基因的启动子(全时活性)控制其表达,这就是携带Ay突变小鼠被毛为单一黄或红色的分子成因。利特尔早在1910年就已经发现Ay纯合(Ay/Ay)小鼠胚胎会在着床前死亡的现象,但却并不知致死的原因。Raly表达产物为RNA结合蛋白,主要功能是参与pre-mRNA的加工,是胚胎正常发育所必须的一个基因,缺失后会导致早期胚胎发育停滞,这样Ay纯合致死的原因也找到了。

 

那么C57BL系列小鼠的A位点(a/a)又是如何形成的呢?测序结果表明:相对于野生型小鼠,该系列小鼠ASP基因第一外显子下游(下图垂直箭头处)多了一段长为11 kbVL30转座子序列,这使得ASP无法正常转录和加工,不能合成ASP信号蛋白,因而丧失了对黑色素细胞色素颗粒合成选择的调控能力,使得C57BL系列小鼠的黑色素细胞只能合成真黑色素。

 


小鼠的A位点除了上述两种突变外,还有很多其它不同类型的突变,其中比较有趣的一个是Avy突变小鼠。通常情况下,携带Avy突变的小鼠的被毛与Ay一样,也是全身黄色,但与Ay不同的是Avy纯合子并不致死。序列分析结果显示:在Avy突变携带小鼠ASP基因调控区毛囊周期性启动子的上游多了一段名为IAP的转座子序列。IAP两端各有一段名为“长末端重复序列(LTR)”的DNA片段。LTR是一种全身持续表达的强启动子序列,因此Avy小鼠中因IAP的插入,导致ASPIAPLTR调控下持续性表达,作用于黑色素细胞,令其只合成褐黑色素。
 

 
基因型为Avy/a的小鼠,因Avya为显性,理论上被毛为单一的黄色。有趣的是Avy/a小鼠的毛色会因其胎儿期母鼠食用不同成分的食物而发生变化,可从单一的黄色到不均一的黄色,甚至恢复成野生色,这又是为什么呢?
 
原来LTRDNA序列中富含CpG二核苷酸序列,其胞嘧啶(C)的5'碳位会在DNA甲基化转移酶的作用下共价结合一个甲基基团,这一过程被称为DNA甲基化。DNA发生甲基化后会导致染色质结构、DNA构象、DNA稳定性及DNA与蛋白质相互作用方式发生改变,从影响基因的表达。启动子区DAN序列甲基化后,其与RNA聚合酶的结合能力会下降,进而使其控制的下游基因转录下降甚至丧失。
 
Avy/a小鼠胎儿期,由于母鼠食物中一些可诱发基因组DNA甲基化成分的作用,使LTR发生不同程度的甲基化,导致其驱动ASP基因表达能力的改变。伴随着Avy位点中IAPLTR序列甲基化程度的上升,毛囊细胞会重新选择使用周期性启动子来驱动ASP基因的转录,这就是Avy/a小鼠毛色表型变化的原因所在。

 

怀孕过程中出现的问题可能会影响一生的健康,如孕妇吃的过多导致胎儿出生体重过高会与后期的肥胖和糖尿病发病率正相关。DNA甲基化又是环境改变基因表达的一种重要方式,因此Avy/a小鼠可以作为环境生物反应指示器,用以研究环境因子如燃料木黄酮(Genistein)、乙醇(Ethanol)、低剂量辐射(Radiation)和双酚ABisphneol A)等对胎儿发育的影响,并可以用出生后小鼠的毛色这一肉眼可见且可量化的表型显现出来。这个例子告诉我们,小鼠毛色遗传学知识不仅仅只用于区分不同小鼠。
 
科研民工   20191027  
 
 
参考文献

 

 
1.Proc. Nati. Acad. Sci. USA Vol.91, pp. 2562-2566, March 1994
2.PIGMENT CELL RES 15: 10-18. 2002

3.Proc Natl Acad Sci U S A. 2006 Nov 14; 103(46): 17308–17312.

点击这里给我发消息 点击这里给我发消息 点击这里给我发消息
Baidu
map