家蠶天然彩色繭遺傳學(xué)研究進(jìn)展＊

鹿亞如 譚端 代方銀

（西南大學(xué)生物技術(shù)學(xué)院，重慶 400716）

家蠶是重要的經(jīng)濟(jì)昆蟲，在5 000多年漫長的馴化及養(yǎng)殖歷史中，積累了大量的突變體，這其中包含了大量的繭色突變體，可將這些繭色性狀分為白繭和彩色繭兩大類。市場上的蠶絲制品大多由白色繭絲經(jīng)過染色等工藝制成，而家蠶天然彩色蠶絲色彩艷麗柔和，若其可以大量投入生產(chǎn)，則可避免染色劑的使用，符合新世紀(jì)人們對(duì)綠色環(huán)保產(chǎn)品的追求。因此，天然彩色繭是科學(xué)家們研究的熱點(diǎn)，而且目前取得了一系列的成果，例如日本科學(xué)家Takashi Sakudoh等先后對(duì)家蠶黃血基因Y（Proc Natl Acad Sci U S A．2007）、黃繭基因C（J Biol Chem，2010）、肉色繭基因F（J Lipid Res，2013）完成了定位克隆，并且揭示了黃紅繭形成的基本機(jī)制；Takaaki Daimon等對(duì)綠繭基因Gb（PNAS，2010）進(jìn)行了深入的研究，在前人的基礎(chǔ)上進(jìn)一步揭示了家蠶天然綠繭形成的分子機(jī)制。

1 家蠶天然彩色繭—黃紅繭系遺傳學(xué)研究進(jìn)展

1．1 類胡蘿卜素與家蠶黃紅繭

類胡蘿卜素是胡蘿卜素和葉黃素的總稱。胡蘿卜素是C40的碳?xì)浠衔铮绂粒}卜素、β－胡蘿卜素、γ－胡蘿卜素、番茄紅素都屬于胡蘿卜素；葉黃素是胡蘿卜素的氧化衍生物，包括玉米黃素、隱黃素等［11］。不同類胡蘿卜素在晶體或溶液狀態(tài)下呈現(xiàn)紅色、黃色、橙色等艷麗的色彩，是重要的著色劑。除梔子黃外，大部分的類胡蘿卜素為脂溶性。家蠶黃紅繭的主要色素就是類胡蘿卜素。桑葉中的類胡蘿卜素被家蠶的中腸吸收，再通過血液運(yùn)輸?shù)浇z腺，最終在繭絲的絲膠中積累，形成了黃紅繭［9－10］。不同種類的黃紅繭所含的類胡蘿卜素種類有所不同，例如肉色繭所含的色素主要是β－胡蘿卜素，黃繭所含的色素主要是葉黃素。

1．2 家蠶黃紅繭相關(guān)基因的研究進(jìn)展

控制家蠶黃紅繭系繭色的基因眾多，其中黃血基因（Y：2－25．6）被認(rèn)為是繭色的決定性因子［2］，其它的繭色基因控制的對(duì)應(yīng)表型的出現(xiàn)均以Y基因的存在為前提，這其中包括黃繭基因（C：12－7．2）、肉色繭基因（F：6－34．7）、紅色繭基因（Pk：2－？）、銹色繭基因（Rc：2－31．8）等［9－10］。另外，存在一個(gè)黃血抑制基因（I：9－16．2），I基因可以使類胡蘿卜素氧化分解，最終導(dǎo)致無色的血液和白色的繭［10］。因此，只有在＋I(xiàn)、Y、某繭色基因（C、F、Pk或Rc等）同時(shí)存在時(shí)才能產(chǎn)生黃紅繭。迄今為止，經(jīng)過科學(xué)家們多年的努力，對(duì)該繭系基因的研究取得了一系列的成果，如日本科學(xué)家Takashi Sakudoh等先后完成了家蠶黃血基因Y（Proc Natl Acad Sci U S A．2007）、黃繭基因C（J Biol Chem，2010）、肉色繭基因F（J Lipid Res，2013）的定位克隆以及分子機(jī)制的研究。這3個(gè)基因也是目前研究較為深入的黃紅繭相關(guān)基因。

Y基因編碼一個(gè)類胡蘿卜素結(jié)合蛋白（CBP）。CBP是一種胞內(nèi)的類胡蘿卜素結(jié)合蛋白，屬于StAR蛋白家族，即含有一個(gè)與脂類結(jié)合相關(guān)的START結(jié)構(gòu)域，START結(jié)構(gòu)域與膽固醇、神經(jīng)酰胺、葉黃素等多種脂類物質(zhì)的結(jié)合和代謝相關(guān)［11］。在家蠶中，CBP對(duì)黃紅繭系多種繭色的形成起關(guān)鍵作用，因此可能參與多種類胡蘿卜素的胞內(nèi)結(jié)合，研究發(fā)現(xiàn)其與葉黃素的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)密切相關(guān)。傳統(tǒng)的遺傳學(xué)研究認(rèn)為Y基因主要控制家蠶中腸對(duì)類胡蘿卜素的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，從而直接影響家蠶血液的顏色，因此又被稱為黃血基因。隨著研究的深入，科學(xué)家又有了新的發(fā)現(xiàn)：在家蠶黃繭N4品系中，Y基因在中腸和血液中都有表達(dá)，所以推測(cè)Y基因也可能參與家蠶絲腺類胡蘿卜素的轉(zhuǎn)運(yùn)［11］。編碼CBP的基因由7個(gè)外顯子和6個(gè)內(nèi)含子構(gòu)成，有兩種結(jié)構(gòu)，分別是Ya和Yb，Yb的第2、3外顯子之間插入了一個(gè)CATS轉(zhuǎn)座子，但是它們均可以編碼完整的CBP mRNA。在＋Y家蠶個(gè)體中，＋Y基因相對(duì)于Yb基因第二外顯子3’端發(fā)生了169bp的缺失，同時(shí)CATS轉(zhuǎn)座子被截?cái)啵煌暾牡诙怙@子和截?cái)嗟腃ATS轉(zhuǎn)座子組合在一起，導(dǎo)致基因的表達(dá)產(chǎn)物為沒有功能的CBP mRNA［2］。

C基因的產(chǎn)物為Cameo2，是一個(gè)屬于CD36家族的跨膜蛋白，該家族的成員為跨膜的脂蛋白受體。如哺乳動(dòng)物的SR－BI及果蠅的ninaD就屬于CD36家族，而SR－BI、ninaD分別在哺乳動(dòng)物、果蠅中參與β－胡蘿卜素、葉黃素、玉米黃素等脂類物質(zhì)的吸收［11］。信息分析發(fā)現(xiàn)家蠶中的Cameo2與ninaD和SR－BI同源，主要負(fù)責(zé)家蠶體內(nèi)葉黃素的運(yùn)輸［11］。C基因的單獨(dú)存在并不能產(chǎn)生黃繭，必須與Y基因相互配合，才能使類胡蘿卜素順利在中腸吸收，進(jìn)入血液，運(yùn)輸至絲腺，最終在繭絲中積累，形成黃繭。為了進(jìn)一步驗(yàn)證Y基因和C基因在色素運(yùn)輸過程中擔(dān)任的角色，黃茂華等人（PLoS One，2014）通過免疫熒光著色、共聚焦顯微鏡檢測(cè)以及western blot分析，將Cameo2和CBP分別定位到細(xì)胞膜和細(xì)胞液，并通過雙分子熒光互補(bǔ)分析證明這兩種分子直接在細(xì)胞水平進(jìn)行互作。Cameo2和CBP分別作為跨膜蛋白和胞內(nèi)載體蛋白，協(xié)同促進(jìn)類胡蘿卜素特別是葉黃素由中腸到絲腺的運(yùn)輸，最終使繭著黃色。柴春利等人（Gene．2014）發(fā)現(xiàn)兩個(gè)白繭品系秋白和12－260雜交得到的F1代個(gè)體為黃繭。研究發(fā)現(xiàn)秋白和12－260的基因型分別為（＋Y／＋Y，C／C）、（Y／Y，＋C／＋C），均不能產(chǎn)生白繭，而它們的雜交后代則可產(chǎn)生有功能的CBP和Cameo2［1］，繭色為黃色，進(jìn)一步證明了Y基因和C基因在黃繭形成過程中的相互協(xié)作，缺一不可。

Takashi Sakudoh等人對(duì)肉色繭基因F（J Lipid Res，2013）進(jìn)行了定位克隆，發(fā)現(xiàn)其位于6號(hào)染色體上。F基因編碼產(chǎn)物為SCRB15，與Cameo2旁系同源，它們同屬于CD36蛋白家族。C基因和F基因的不同之處在于，Y基因存在情況下，F(xiàn)基因主要負(fù)責(zé)β－胡蘿卜素的運(yùn)輸，產(chǎn)生肉色繭；C基因主要負(fù)責(zé)葉黃素的運(yùn)輸，產(chǎn)生黃色繭。在F基因的突變體中，＋F基因編碼外顯子的基因組區(qū)域有1．4kb的插入，導(dǎo)致編碼SCRB15的mRNA發(fā)生了嚴(yán)重的斷裂，最終使β－胡蘿卜素的運(yùn)輸受阻，無法形成肉色繭［4］。

2 家蠶天然彩色繭—綠繭系遺傳學(xué)研究進(jìn)展

2．1 黃酮類化合物與家蠶黃紅繭

黃酮類化合物是指基本母核為2－苯基色原酮類的化合物，可分為黃酮醇類（如槲皮素、堪非醇、楊梅酮、異鼠李亭）、黃酮類（如毛地黃黃酮、芹菜素）、黃烷酮類（如橙皮素、柚皮素、圣草酚）等子類。黃酮類化合物是家蠶綠繭的主要色素。桑葉中的黃酮類化合物在家蠶體內(nèi)經(jīng)過一系列的代謝，最終在絲腺中積累，這與黃紅繭中的類胡蘿卜素不同——黃紅繭中的類胡蘿卜素直接來源于桑葉。

2．2 家蠶綠繭相關(guān)基因的研究進(jìn)展

傳統(tǒng)的遺傳學(xué)研究表明至少有7個(gè)基因和家蠶綠色繭形成有關(guān)［8］，根據(jù)不同綠繭品系中控制繭色形成的基因數(shù)量，可將綠繭分為互補(bǔ)綠繭［如綠繭基因Ga（座位不明）和Gb（7－7．0）同時(shí)存在時(shí)，繭色為綠色］和獨(dú)立遺傳綠繭［如受綠繭基因Gc（15－？）單獨(dú)控制］。黃酮類化合物在家蠶體內(nèi)代謝的復(fù)雜性給綠繭的遺傳模式研究帶來了困難，雖然初步認(rèn)為存在多個(gè)和家蠶綠繭形成相關(guān)的基因，其中的大部分基因都未進(jìn)行分子水平的鑒定。Takaaki Daimon等曾對(duì)綠繭基因Gb（PNAS，2010）進(jìn)行了定位克隆，并且進(jìn)一步揭示了綠繭的形成機(jī)制，該基因也是目前研究最為深入的一個(gè)綠繭基因。

Takaaki Daimon等將Gb鎖定為Bm－UGT10286。Bm－UGT10286編碼槲皮素5－氧－葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶，是尿苷二磷酸－葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶（UGT）基因簇中的一員。研究發(fā)現(xiàn)Bm－UGT10286是槲皮素5－氧－葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶的唯一來源，它可以使槲皮素的5－氧部位發(fā)生糖基化，而5－氧－葡萄糖苷槲皮素是綠繭中類黃酮素的主要成分［7－8］。另外，槲皮素只有在5－氧部位發(fā)生糖基化，其在紫外光下才能發(fā)出綠色的熒光，其它部位均不可以，如槲皮素的3－氧、7－氧、3′－氧、4′－氧部位。因此Bm－UGT10286的存在將很大程度上提高黃酮類化合物在家蠶體內(nèi)的生物利用率。在基因型為（＋Gb／＋Gb）的家蠶個(gè)體中，包含Bm－UGT10286的UGT基因簇區(qū)域的基因組發(fā)生了38kb的缺失，Bm－UGT10286被破壞，因此無法表達(dá)正常的槲皮素5－氧－葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶，使黃酮類化合物在繭絲的積累量大大降低，產(chǎn)生白繭［8］。

Gb的存在對(duì)綠繭的形成至關(guān)重要，但仍需其它綠繭基因的合作，才能形成綠色繭。Gb單獨(dú)存在時(shí)，槲皮素5－氧部位發(fā)生糖基化，只有少量的5－氧葡萄糖苷槲皮素運(yùn)輸至絲腺，最終在繭絲中積累，此時(shí)，由于繭中色素的積累量過少，繭仍為白色，但在紫外光下可發(fā)出黃色的熒光；若Ga和Gb進(jìn)行協(xié)作，絲腺對(duì)5－氧葡萄糖苷槲皮素的運(yùn)輸能力將大大加強(qiáng)，繭色為綠色；Gc可以使槲皮素在家蠶體內(nèi)進(jìn)一步代謝為脯氨酰槲皮素，并在繭絲中積累，可以單獨(dú)控制綠繭的形成［8］。若Gc、Ga和Gb同時(shí)存在，則可使多種黃酮類化合物在繭中積累，產(chǎn)生深綠色的繭。

家蠶天然彩色繭相對(duì)于普通白繭有一些獨(dú)特的優(yōu)良性狀，如色彩艷麗柔和、更加柔韌保暖、更強(qiáng)的抗輻射性能等，是理想的健康環(huán)保紡織材料，但彩色繭原始親本的經(jīng)濟(jì)性狀不夠優(yōu)良，還不能大量投入生產(chǎn)。以上對(duì)彩色繭形成的分子機(jī)制研究，將為我們更好地利用彩色繭提供理論基礎(chǔ)，對(duì)遺傳學(xué)的研究也具有重大的生物學(xué)意義。

［1］Chai C，Zhang Y，Sun W，Ding G，Wang W，Liu Y，Dai F，Lu C：Analysis of a silkworm F（1）hybrid with yellow cocoon generated by crossing two white－cocoon strains：further evidences for the roles of Cameo2and CBP in formation of yellow cocoon［J］．Gene 2014，534（1）：119－123．

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［11］黃茂華．家蠶基因Cameo2與CBP對(duì)葉黃素轉(zhuǎn)運(yùn)的功能初探［D］．西南大學(xué)，2012．

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