小鼠毛色遺傳的控制機(jī)制及其在遺傳學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

邢萬(wàn)金，莫日根

內(nèi)蒙古大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，呼和浩特 010021

小鼠毛色遺傳的控制機(jī)制及其在遺傳學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

邢萬(wàn)金，莫日根

內(nèi)蒙古大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，呼和浩特 010021

小鼠是最常用的哺乳動(dòng)物模式生物，其毛色有白色、灰色、黃色、黑色等，是典型的孟德?tīng)栠z傳性狀。但在本科遺傳學(xué)教學(xué)中，一般只在介紹隱性致死基因的時(shí)候才提到小鼠毛色遺傳的例子。作者深入挖掘和整理了小鼠毛色遺傳的分子機(jī)制，并把這個(gè)例子貫穿于講解孟德?tīng)栠z傳以及介紹分子遺傳學(xué)的基因結(jié)構(gòu)、基因功能、基因調(diào)控、基因互作、基因的表觀遺傳學(xué)修飾和數(shù)量性狀遺傳等，嘗試用同一個(gè)案例貫穿本科遺傳學(xué)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生建立由表及里的系統(tǒng)分析能力，既凸顯遺傳學(xué)研究的前沿性和完整性，又吸引了學(xué)生的注意力，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，收到了很好的教學(xué)效果。

遺傳學(xué)；案例教學(xué)；小鼠；毛色

遺傳學(xué)是生命科學(xué)的核心科學(xué)，其研究的中心問(wèn)題是基因和環(huán)境與表型之間的關(guān)系，揭示從病毒、原核生物到高等真核生物所有生命形式的普遍規(guī)律。主宰基因型與表型的普遍規(guī)律是“中心法則”。遺傳學(xué)的各種分支如“微生物遺傳學(xué)”、“植物遺傳學(xué)”、“動(dòng)物遺傳學(xué)”、“群體遺傳學(xué)”、“發(fā)育遺傳學(xué)”、“腫瘤遺傳學(xué)”、“細(xì)胞遺傳學(xué)”和“分子遺傳學(xué)”等等，從不同角度或不同層次揭示這一法則在不同形式生命體中的運(yùn)行方式。遺傳學(xué)教科書中，經(jīng)典遺傳學(xué)、分子遺傳學(xué)、細(xì)胞遺傳學(xué)和群體遺傳學(xué)等各章節(jié)都是用各自的原創(chuàng)性經(jīng)典實(shí)驗(yàn)為例子，這些實(shí)驗(yàn)案例雖然精妙，但在內(nèi)容上缺少聯(lián)系，容易給學(xué)生造成一種錯(cuò)覺(jué)，以為它們是獨(dú)立地揭示了不同的遺傳規(guī)律。教師和學(xué)生都難以找到一條貫傳遺傳學(xué)教學(xué)的主線并建立起由淺入深由表及里的科學(xué)思維模式，只好各個(gè)擊破、死記硬背各章知識(shí)點(diǎn)，結(jié)果事倍功半。作者不斷嘗試梳理遺傳學(xué)教學(xué)的知識(shí)體系[1～5]，許多同行也在挖掘新的案例或開發(fā)新的教學(xué)手段，以便更系統(tǒng)、更形象地講解抽象的遺傳機(jī)制[6～9]。在遺傳學(xué)教學(xué)實(shí)踐中，如果能找到一個(gè)各章都能用到的教學(xué)案例，能夠在個(gè)體、細(xì)胞、分子各層次上講解遺傳規(guī)律及其分子機(jī)制，就能既展示遺傳學(xué)知識(shí)的完整性、連貫性和學(xué)術(shù)研究的前沿性，又能激發(fā)學(xué)生對(duì)遺傳學(xué)的興趣，抓住學(xué)生的注意力，獲得更好的教學(xué)效果。文章論述了如何使用小鼠毛色的遺傳學(xué)教學(xué)案例來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)愿望，以期與同行分享教改體會(huì)。

1 小鼠毛色在遺傳學(xué)入門教學(xué)中的應(yīng)用

盡管豌豆雜交實(shí)驗(yàn)在中學(xué)課堂就講解過(guò)，但大學(xué)本科遺傳學(xué)入門教學(xué)最經(jīng)典的例子仍然是孟德?tīng)柕耐愣闺s交實(shí)驗(yàn)，以此引出基因、等位基因、顯隱性等最基本的遺傳學(xué)概念以及遺傳規(guī)律。這一中學(xué)生背的滾瓜爛熟的例子在大學(xué)課堂上顯然缺少吸引力，大學(xué)課堂應(yīng)該用更有趣的例子。

小鼠的毛色有agouti色(胡椒面色)、黑色、白色、黃色等幾種，雜交實(shí)驗(yàn)結(jié)果提示這是孟德?tīng)柺絾位蜻z傳。agouti毛色基因A對(duì)黑色基因a是顯性，即基因型AA和Aa控制agouti色，aa是黑色。因此完全可以用這個(gè)例子代替豌豆雜交實(shí)驗(yàn)，講解等位基因、顯性和隱性、純合體和雜合體等遺傳學(xué)的基本概念，演示一對(duì)等位基因的遺傳分離。如果要演示自由組合定律，可以引入安哥拉鼠(Angora mouse)的長(zhǎng)毛性狀。相對(duì)于正常的短毛性狀，安哥拉鼠長(zhǎng)毛是個(gè)隱性性狀，控制該性狀的等位基因Fgf5go是5號(hào)染色體上的成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子5(fibroblast growth factor 5)基因缺失了約 2 kb而成[10]，純合體Fgf5go/Fgf5go的軀干毛很長(zhǎng)，極易與野生型和雜合體區(qū)分。

為了全面認(rèn)識(shí)基因控制性狀的復(fù)雜性，必須進(jìn)一步講解孟德?tīng)柖傻摹袄狻?擴(kuò)展)，用一些雜交實(shí)例闡述不完全顯性、復(fù)等位基因、非等位基因之間的相互作用等現(xiàn)象仍然可用小鼠毛色這個(gè)例子，只要引入其他的毛色等位基因即可，如黃色毛基因Avy和AY。Avy、AY、A和a這4個(gè)等位基因共同構(gòu)成復(fù)等位基因，其中Avy對(duì)A顯性，A對(duì)a顯性。由于對(duì)Avy基因的表觀遺傳修飾在不同程度上抑制Avy的表達(dá)活性，導(dǎo)致某些AvyA基因型的雜合體小鼠的毛色介于黃色與 agouti色之間[11,12]，形成了不完全顯性。AY也是顯性黃色毛等位基因，但AYAY純合體在胚胎期即死亡，因此AY基因本身又是隱性致死基因。agouti座位還有一個(gè)“高度可變黃色”(hypervariable yellow)等位基因Ahvy，純合體或雜合體Ahvy黃色小鼠往往伴隨有肥胖、糖尿病以及易患腫瘤等性狀，表現(xiàn)為agouti基因的一因多效(Pleiotropy)[13]。影響毛色的還有另外一對(duì)等位基因B和b，其中B控制黑色素(Eumelanin)形成，其等位基因b不形成黑色素，成為白化(白鼠)，因此只有在有 B基因的前提下，上述agouti和黑色表型才能正確顯示，即基因型B_A_表型為agouti色，B_aa表型為黑色；而隱性b基因純合狀態(tài)下，A和 a基因均不能顯示性狀，即基因型bbA_和bbaa均為白色，這種現(xiàn)象稱為b基因?qū)基因隱性上位(Recessive epistasis)。通過(guò)小鼠毛色的遺傳，學(xué)生們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到基因控制性狀的復(fù)雜性，同時(shí)也激發(fā)了探究這些現(xiàn)象背后分子生物學(xué)機(jī)制的興趣。

2 小鼠毛色在分子遺傳學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

分子遺傳學(xué)教學(xué)，一般以原核生物大腸桿菌的乳糖操縱子為例介紹基因結(jié)構(gòu)與功能調(diào)控，剖析基因型控制表型的分子機(jī)制，而真核生物中缺少像乳糖操縱子這樣簡(jiǎn)明而又了解清楚的例子，因而對(duì)真核生物基因結(jié)構(gòu)與功能調(diào)控介紹極少。但僅僅學(xué)習(xí)操縱子的結(jié)構(gòu)與功能并不能釋疑學(xué)生們對(duì)于等位基因及其功能以及與表型關(guān)系的謎團(tuán)。教師在用原核操縱子給學(xué)生初步建立了基因調(diào)控模型以后，最好能夠回到提出等位基因概念的真核生物案例，解釋真核生物等位基因的結(jié)構(gòu)與功能調(diào)控，解答學(xué)生最初接觸基因型和表型概念時(shí)留下的謎團(tuán)。

2.1 小鼠毛色等位基因的分子結(jié)構(gòu)與功能調(diào)控

遺傳學(xué)對(duì)小鼠毛色基因的結(jié)構(gòu)與功能研究的比較深入，可以用小鼠毛色的例子在分子水平上繼續(xù)講解真核生物基因的結(jié)構(gòu)與功能調(diào)控。小鼠毛色的表型主要由毛囊黑素細(xì)胞合成的色素所決定，小鼠α毛囊黑素細(xì)胞刺激激素(α-melanocyte stimulating hormone，α-MSH)與extension基因編碼的黑皮質(zhì)素受體1(Melanocortin 1 receptor，Mc1r)結(jié)合，促使毛囊黑素細(xì)胞合成黑色素，因此，決定純黑色的 B基因可以被看作是參與催化合成黑色素的某個(gè)基因。agouti基因A(Gene ID: 50518)位于小鼠的2號(hào)染色體上，結(jié)構(gòu)比較特殊，由4個(gè)外顯子組成(圖1)，但主要的編碼序列是第2、3、4三個(gè)外顯子[14]，被稱為非翻譯外顯子的第1外顯子的1A和1B只在淺色腹小鼠的腹部皮膚轉(zhuǎn)錄，1C和1D在腹部和背部都轉(zhuǎn)錄。野生型A基因的產(chǎn)物是一個(gè)旁分泌信號(hào)分子(Paracrine signaling molecule)，稱為 agouti信號(hào)肽(Agouti signalling peptide, ASP)[15]。ASP在毛發(fā)生長(zhǎng)周期的第4～6天集中產(chǎn)生，競(jìng)爭(zhēng)性地與Mc1r結(jié)合，促使毛囊黑素細(xì)胞轉(zhuǎn)而合成黃色的棕黑素(Pheomelanin)，第6天以后A基因停止表達(dá)，毛囊黑素細(xì)胞恢復(fù)產(chǎn)生黑色素，導(dǎo)致每根毛的末梢附近有一段棕黃色的環(huán)帶，整體皮毛效果呈現(xiàn)agouti表型[16]，這就是小鼠毛色顯性性狀胡椒面色的來(lái)由。

圖 1 圖示野生型小鼠 agouti基因及其幾種突變形式的結(jié)構(gòu)[14](非實(shí)際比例)。A：野生型agouti基因；Aiapy：由于逆轉(zhuǎn)座子IAP插入形成的顯性突變；ls1Gso：缺失第4外顯子的隱性突變；A5MNU：缺失第3外顯子的隱性突變。agouti基因在背部和腹部毛囊中以P1和P2啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)錄，在腹部毛囊中還有腹部特異性啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)從1A轉(zhuǎn)錄全長(zhǎng)。隱性致死基因Aiapy則受逆轉(zhuǎn)座子IAP的長(zhǎng)末端重復(fù)(LTR)驅(qū)動(dòng)，在各種組織中均持續(xù)轉(zhuǎn)錄。

agouti基因(A)有多種突變形式，形成了復(fù)等位基因。目前發(fā)現(xiàn)至少有 5種顯性突變，均導(dǎo)致在身體其他組織也異位合成 ASP，引起多種效應(yīng)，如黃色毛、肥胖、II型糖尿病以及高腫瘤易感性等。其中致死等位基因AY源于A基因上游的整個(gè)Raly基因 (Ribonucleo-protein associated with lethal yellow)和翻譯起始因子eIF2的β亞基基因Eif2s2以及A基因本身的5′端非編碼區(qū)共約120～170 kb的大片段缺失，結(jié)果造成能在各種組織里廣泛表達(dá)的Raly基因啟動(dòng)子控制了A基因表達(dá)[17]，毛色全黃。此外還有 5種顯性突變，分別是腦池內(nèi) A粒子黃色(intracisternal A-particle yellow，Aiapy)、中等黃色(intermediate yellow，Aiy)、赭黃色(sienna yellow，Asy)、可變黃色(variable yellow，Avy)以及高度可變黃色(hypervariable yellow，Ahvy)。這些突變都是在A基因的第1外顯子處插入長(zhǎng)度不等的DNA片段，屬于調(diào)控元件變異[13,18]，如基因 Aiapy是在 A基因的 1C外顯子內(nèi)部插入了一段病毒性逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子，稱為IAP(Intracisternal A particle)(圖1)，此轉(zhuǎn)座子的兩端有長(zhǎng)末端重復(fù)(LTR)，具有啟動(dòng)子功能，能驅(qū)動(dòng)下游的A基因編碼區(qū)在整個(gè)毛囊周期組成性持續(xù)表達(dá)，導(dǎo)致AiapyA雜合體小鼠毛通體黃色。

A也有多種隱性突變形式的等位基因(a)，它們都不能表達(dá)有功能的ASP信號(hào)分子，因而不能促使毛囊黑素細(xì)胞合成棕黑素，所以毛的全長(zhǎng)都是由 B基因控制的黑色素占據(jù)，如amJ、au、ada、a16H、a18H、ae6個(gè)隱性突變，amJ是在第2外顯子前插入了一段來(lái)自外顯子1B上游的45 bp DNA，a16H是一個(gè)點(diǎn)突變導(dǎo)致第 16個(gè)氨基酸殘基由半胱氨酸便成了精氨酸，ae是由于一個(gè)起始密碼ATG的A缺失突變導(dǎo)致從第2外顯子起始翻譯的時(shí)候起始密碼不正確，au、ada和a18H都是在啟動(dòng)子或調(diào)控區(qū)發(fā)生了變異導(dǎo)致A基因的產(chǎn)物減少[19]。此外，還有編碼區(qū)外顯子缺失的A基因突變形式，導(dǎo)致不能產(chǎn)生完整的基因產(chǎn)物，如ls1Gso是缺失了第3外顯子，a5MNU是缺失了第4外顯子(圖1)[14]。通過(guò)這個(gè)例子在分子水平上給學(xué)生介紹了真核基因的組成與結(jié)構(gòu)、顯性和隱性等位基因的來(lái)源與功能區(qū)別、基因型與表型的關(guān)系、真核基因的表達(dá)調(diào)控(尤其是啟動(dòng)子的作用)等分子遺傳學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，并解答了引出基因型、表型概念的agouti毛色的分子遺傳機(jī)制。

2.2 小鼠毛色等位基因與相對(duì)性狀的關(guān)系

在回答了學(xué)生關(guān)于基因型如何控制表型的疑問(wèn)的同時(shí)，這個(gè)例子還進(jìn)一步讓學(xué)生明白一對(duì)“相對(duì)性狀”并非總是等位基因控制的。在雜交實(shí)驗(yàn)中agouti毛色對(duì)黑色是顯性，即 A基因是顯性等位基因，它所控制的agouti毛色是顯性性狀，這很容易使學(xué)生認(rèn)為黑色基因就是agouti基因的等位基因。但當(dāng)了解了小鼠毛色性狀的分子遺傳學(xué)機(jī)制就會(huì)明白，所謂等位基因與相對(duì)性狀并非總有對(duì)應(yīng)關(guān)系。實(shí)際上A基因的隱性等位基因是a基因，A基因決定產(chǎn)生少量黃色素從而形成毛尖部的黃色環(huán)，眾多這樣的毛聚在一起看起來(lái)就是agouti毛色，而如前所述，agouti基因的隱性等位基因 a只是不能產(chǎn)生有功能的 ASP，因而不能刺激毛囊黑素細(xì)胞產(chǎn)生黃色素，但并非決定產(chǎn)生黑色素。決定產(chǎn)生黑色素的是B基因，而B基因的隱性等位基因是不能產(chǎn)生黑色素的b基因，bb的表型應(yīng)該是白色毛。由上可知A基因與B基因不是等位基因，但agouti純合體(AA)與黑色純合體(BB)小鼠雜交確實(shí)表現(xiàn)典型的孟德?tīng)柗蛛x，即F2agouti：黑色=3 : 1，這其實(shí)是AA與aa雜交的結(jié)果，BB基因型及其所控制的黑色毛表型只是默認(rèn)的背景色，即：無(wú)論是AA還是aa，都有黑色素(都是BB)。

2.3 小鼠毛色等位基因與基因功能描述

本例在分子遺傳教學(xué)中能夠讓學(xué)生明白基因的真正功能并不能從與之關(guān)聯(lián)的表型直接定義，這一點(diǎn)對(duì)學(xué)習(xí)遺傳學(xué)非常重要。學(xué)習(xí)了孟德?tīng)栠z傳學(xué)，建立了基因型與表型的概念，如果不從分子水平上闡明基因的真正功能，很容易落入把基因的功能簡(jiǎn)單地歸于“控制性狀”或者“其產(chǎn)物形成了某種性狀”之類的不準(zhǔn)確的思維模式。實(shí)際上基因的功能只能用其DNA序列或者其產(chǎn)物(RNA或蛋白質(zhì))在分子水平上的作用來(lái)定義，而“性狀”是宏觀上表現(xiàn)出來(lái)的最終狀態(tài)，實(shí)際上是多種基因(甚至整個(gè)基因組)在細(xì)胞(或組織)水平相互協(xié)作的結(jié)果。本例中A基因并不生產(chǎn)“agouti色素”或形成色素分布類型，而只是一種信號(hào)蛋白，其具體功能還有待于進(jìn)一步研究。類似的例子還有ABO血型，血型性狀是紅細(xì)胞表面的A、B、O抗原，但控制它們的等位基因IA、IB其實(shí)是編碼兩種糖基轉(zhuǎn)移酶，其功能是在底物 H物質(zhì)上催化加糖的反應(yīng)，并非直接編碼這幾種抗原本身。這些例子將啟發(fā)學(xué)生思考基因型與表型之間的復(fù)雜關(guān)系，明白某基因要實(shí)現(xiàn)表型需要在一定的細(xì)胞結(jié)構(gòu)平臺(tái)上依靠其他基因的配合，這種認(rèn)識(shí)對(duì)于未來(lái)從事科研工作極為重要。

2.4 小鼠毛色等位基因的顯性和隱性關(guān)系

本例的另一個(gè)用處是為學(xué)生闡明顯隱性的相對(duì)性及其分子機(jī)制。顯性和隱性是遺傳學(xué)最重要的概念之一，是孟德?tīng)栠z傳規(guī)律的基礎(chǔ)，但在遺傳學(xué)教學(xué)中幾乎沒(méi)有專門的章節(jié)討論顯性與隱性的分子生物學(xué)實(shí)質(zhì)，基本上是停留在概念本身。學(xué)生對(duì)于顯性等位基因和隱性等位基因的理解往往就是顯性等位基因有活性，隱性等位基因失活。實(shí)際上所謂顯性等位基因與隱性等位基因只是描述一對(duì)等位基因在一起時(shí)所表現(xiàn)出的功能上的差異，可能存在有活性(顯)與無(wú)活性(隱)的區(qū)別，但在很多情況下并無(wú)“活”與“失活”之分，甚至有的失活基因反而表現(xiàn)顯性遺傳(如抑癌基因Rb與視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤)。此外，基因功能的“顯性”與“隱性”在基因的分子結(jié)構(gòu)上涉及基因的突變、修復(fù)、調(diào)控、表觀遺傳、蛋白結(jié)構(gòu)與功能等多方位知識(shí)，因此“顯性”和“隱性”成為遺傳學(xué)教學(xué)的難點(diǎn)之一。小鼠毛色遺傳能夠較好地幫助學(xué)生理解顯性和隱性的分子機(jī)制。agouti基因 A是個(gè)顯性等位基因，在分子水平上表現(xiàn)在A基因能夠表達(dá)并產(chǎn)生有活性的ASP信號(hào)蛋白，如果A基因突變，丟失部分外顯子，表達(dá)出的ASP蛋白沒(méi)有活性，就不能形成agouti表型。但顯性性狀agouti毛色還要求A基因的表達(dá)是短暫的，不能持續(xù)表達(dá)。如果由于突變事件使A基因持續(xù)表達(dá)的話(如AY)，毛色全長(zhǎng)將成為黃色，而黃色毛對(duì)agouti毛色是顯性，此時(shí)agouti變成了隱性，但它的agouti基因A本身并沒(méi)有失活。這個(gè)例子告訴學(xué)生，顯性等位基因與隱性等位基因的差異既體現(xiàn)在基因能否表達(dá)出活性產(chǎn)物，也有基因表達(dá)受到正?；虍惓Ｕ{(diào)控的區(qū)別。

2.5 小鼠毛色等位基因之間的相互作用

小鼠毛色遺傳在遺傳學(xué)教學(xué)中更為顯著的用途是在雜交結(jié)果中表現(xiàn)出的基因之間相互作用，使學(xué)生進(jìn)一步了解基因型與表型不是簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而是要受到其他基因的影響。人們所看到的表型是個(gè)宏觀的結(jié)果，是很多基因相互作用的結(jié)果，而具體的基因型卻是單一的，初學(xué)者學(xué)習(xí)了豌豆雜交實(shí)驗(yàn)，往往把表型直接與基因型對(duì)應(yīng)。小鼠毛色雜交實(shí)驗(yàn)則告訴學(xué)生，agouti基因 A的顯性作用是建立在小鼠毛囊細(xì)胞能夠產(chǎn)生黑色素的基礎(chǔ)上，即B基因必須同時(shí)發(fā)揮作用。因?yàn)?agouti表型是黑色毛的近毛尖處有一圈黃色，即黑色是背景，黃色為點(diǎn)綴，二者缺一不可，可以說(shuō)是A基因與B基因共同形成的表型。盡管雜交結(jié)果顯示 agouti毛色對(duì)純黑色是顯性，但實(shí)際上受制于黑色，即B基因的作用反而決定了A基因的效應(yīng)。此例中如果B基因不能發(fā)揮作用，即隱性純合體bb基因型，則即使A基因正常，小鼠毛色也將是白色的，這種現(xiàn)象被稱為隱性上位。

3 小鼠毛色遺傳在數(shù)量性狀遺傳學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

遺傳學(xué)中除了孟德?tīng)柺竭z傳的單基因性狀外，還有一類更為常見(jiàn)的性狀，如身高、體重、肥胖、農(nóng)作物產(chǎn)量等，均屬于數(shù)量性狀，是多基因控制的，且會(huì)受到環(huán)境因素的影響，其中很多性狀都與疾病和農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)有關(guān)，是遺傳學(xué)研究和教學(xué)的重要內(nèi)容。但普通遺傳學(xué)教材中沒(méi)有講解基因在分子水平上如何控制數(shù)量性狀的例子，導(dǎo)致講解數(shù)量性狀遺傳的時(shí)候非常抽象，基本上只停留在解釋數(shù)量性狀雜交的特點(diǎn)上。作者整理文獻(xiàn)后發(fā)現(xiàn)在這一章可以繼續(xù)使用小鼠毛色遺傳的例子。

Agouti相關(guān)蛋白(Agouti-related protein，AgRP)是下丘腦的弓狀核中表達(dá)神經(jīng)肽 Y(Neuropeptide Y, NPY)的神經(jīng)元(AgRP/NPY神經(jīng)元)生產(chǎn)的一種神經(jīng)肽[20]。AgRP與NPY都是刺激食欲的神經(jīng)肽，且在同一種細(xì)胞中共表達(dá)以刺激食欲并降低能量消耗代謝，是最強(qiáng)且持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的食欲刺激因子之一。AgRP/NPY神經(jīng)元上既有“饑餓激素”ghrelin的受體GHSR1a，也有“飽腹激素”leptin的受體Ob-Rb。當(dāng)胃空腹時(shí)，胃腸道的ghrelin細(xì)胞分泌ghrelin激素去刺激AgRP/NPY神經(jīng)元分泌AgRP和NPY來(lái)刺激食欲[21]，而脂肪細(xì)胞分泌Leptin激素抑制AgRP/NPY神經(jīng)元釋放刺激食欲的神經(jīng)肽，引起飽腹感，抑制進(jìn)食[22]。黑皮質(zhì)素受體家族的MC3R和MC4R直接與分解代謝和體重控制有關(guān)，它們受α毛囊黑素細(xì)胞刺激激素α-MSH激活。AgRP能與MC3R和MC4R競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合，抑制該受體的作用，刺激食欲。在轉(zhuǎn)基因小鼠中超表達(dá)AgRP或者腦室內(nèi)注射AgRP能引起小鼠過(guò)度攝食(Hyperphagia)和肥胖[23]，同時(shí)在肥胖男性血液中也觀察到AgRP水平升高[24]。

小鼠agouti基因A除了影響毛色外，其黃色顯性等位基因控制的黃色毛性狀往往伴隨著肥胖，而且毛色越黃鼠體越胖，顯示這種肥胖與A基因的異位表達(dá)有關(guān)。A基因的某些顯性突變形式是因?yàn)槭芸赜谄渌虻膯?dòng)子(如Raly或者LTR啟動(dòng)子)，導(dǎo)致A基因在除了毛囊細(xì)胞外的其他組織中也表達(dá)。agouti信號(hào)蛋白ASP與AgRP蛋白具有約25%的氨基酸同源性，是哺乳動(dòng)物中已知的唯一具有由三對(duì)二硫鍵形成的抑制性半胱氨酸結(jié)(inhibitor cystine knot, ICK)的兩個(gè)蛋白[25,26]。ASP也能與α-MSH受體家族成員結(jié)合。異位表達(dá)的ASP在腦中與MC3R和MC4R結(jié)合則起到了AgRP的作用，刺激食欲，引起肥胖。此例通過(guò) agouti毛色基因與若干 MCR受體基因之間的關(guān)系并結(jié)合激素基因、激素的受體基因、脂肪代謝相關(guān)基因等在細(xì)胞與分子層面讓學(xué)生進(jìn)一步理解體重這個(gè)數(shù)量性狀的多基因控制機(jī)制。

4 小鼠毛色遺傳在表觀遺傳學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

近年來(lái)遺傳學(xué)研究發(fā)現(xiàn)一類新的變異，稱為表觀遺傳變異。與傳統(tǒng)的基因序列突變引起的變異不同，表觀遺傳變異是基因序列本身并未發(fā)生突變，而是發(fā)生了化學(xué)修飾導(dǎo)致基因表達(dá)受到了增強(qiáng)或者抑制，結(jié)果導(dǎo)致新的表型。

表觀遺傳的機(jī)制比較復(fù)雜，用于遺傳學(xué)教學(xué)的表觀遺傳變異的例子不多。在小鼠agouti基因座位中就有一個(gè)表觀遺傳變異例子[27]。A基因的某些等位基因形式就是基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的編碼區(qū)并沒(méi)變，但受到了其他啟動(dòng)子的驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)致A基因的異位表達(dá)，造成小鼠通體黃色，如前所述的Raly基因啟動(dòng)子控制了A基因表達(dá)的AY等位基因。與Aiapy等位基因相似，“可變黃色”等位基因Avy，也是A基因的第一外顯子內(nèi)插入了反轉(zhuǎn)座子 IAP，但其真正的編碼區(qū)(第2、3、4外顯子)并未變， 而且IAP的LTR上的CpG會(huì)因甲基化修飾而影響LTR的啟動(dòng)子活性，從而影響下游編碼區(qū)的表達(dá)。更有趣的是人們發(fā)現(xiàn)給懷孕的 aa基因型母鼠食物中添加葉酸(folic acid)、維生素B12(Vitamin B12)、膽堿(Choline)、甜菜堿(Betaine)、金雀黃素(Genistein)等富含甲基的添加劑，出生的Avya雜合體小鼠的毛色會(huì)出現(xiàn)不同程度的agouti毛色，有的Avya雜合體小鼠甚至完全呈現(xiàn)agouti毛色(假agouti)。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變是由于 Avya雜合體小鼠在胚胎發(fā)育的早期 Avy基因上CpG甲基化明顯增加[28]，該處的組蛋白H3和H4去乙酰化[29]，抑制了IAP啟動(dòng)子的活性，使Avya基因型表現(xiàn)出像AA(或Aa)基因型的agouti毛色表型。這個(gè)例子既說(shuō)明了表觀遺傳修飾如何影響基因功能，又在分子水平上很好地解釋了環(huán)境如何影響基因的功能從而影響表型，成為一個(gè)難得的環(huán)境影響遺傳性狀的好例子。這種由于甲基化的差異導(dǎo)致的黃色毛表型不表現(xiàn)轉(zhuǎn)而不同程度地表現(xiàn)為agouti毛色表型的現(xiàn)象也為理解遺傳學(xué)上的另外兩個(gè)概念—不完全外顯(Incomplete penetrance)和表現(xiàn)度不一(Variable expressivity)的分子機(jī)制提供了很好的例子。

這個(gè)表觀遺傳例子的有趣之處還在于人類也有agouti同源基因。人的 Aiapy基因是個(gè)亞穩(wěn)定的表觀等位基因(Epiallele)，其IAP下游有7個(gè)CpG甲基化位點(diǎn)，在胚胎早期也會(huì)被甲基化而造成Aiapy表達(dá)程度的差異，并終身維持，稱為表觀基因型(Epigenotype)[30]。人類母親懷孕過(guò)程中的飲食對(duì)胎兒表觀等位基因的甲基化甚至某些遺傳性狀的影響正在引起關(guān)注[31]。

5 小鼠毛色遺傳在進(jìn)化遺傳學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

進(jìn)化的本質(zhì)是基因的進(jìn)化，所以進(jìn)化是遺傳學(xué)的重要研究領(lǐng)域和教學(xué)內(nèi)容。達(dá)爾文認(rèn)為生物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)是通過(guò)微小的連續(xù)變異逐步實(shí)現(xiàn)的，但一直沒(méi)有找到這樣的例子。直到最近，在生活在Nebraska Sand Hills淺色砂質(zhì)地表的鹿鼠的 agouti基因中找到了這樣的分子遺傳例子。毛皮色是使老鼠個(gè)體融入生存環(huán)境中的主要適應(yīng)性表型，而作為控制毛色性狀的主要基因之一，A基因的突變必然會(huì)導(dǎo)致毛色變化，為老鼠提供適應(yīng)不斷變化的環(huán)境的潛力。最近發(fā)現(xiàn)，這些常年活動(dòng)于Nebraska Sand Hills淺色砂質(zhì)地表的鹿鼠毛皮色澤越來(lái)越淺，能有效地躲避捕食者，其 A基因在過(guò)去的 8000～15000年里累積了10個(gè)SNP位點(diǎn)突變，每個(gè)突變均引起獨(dú)立的淺色毛表型，經(jīng)自然選擇，逐漸淘汰非突變的深色鼠，留下突變的淺色鼠，積累成為現(xiàn)在的淺色[32]。這個(gè)例子形象地說(shuō)明了基因突變產(chǎn)生遺傳多樣性，遺傳多樣性控制表型多樣性，經(jīng)自然選擇發(fā)生適應(yīng)性進(jìn)化的分子機(jī)制。

6 結(jié)語(yǔ)

總之，作者經(jīng)過(guò)深入挖掘和整理最新科研成果，發(fā)現(xiàn)鼠毛色性狀的遺傳控制是一個(gè)饒有趣味的教學(xué)案例，能夠把孟德?tīng)栠z傳、分子遺傳、表觀遺傳、數(shù)量性狀遺傳、進(jìn)化遺傳等遺傳學(xué)教學(xué)的主要內(nèi)容都串聯(lián)起來(lái)，適用于在群體、個(gè)體、組織、細(xì)胞和分子水平上由淺入深逐步講解基因的概念、顯性與隱性的實(shí)質(zhì)、真核基因的結(jié)構(gòu)、功能調(diào)控以及環(huán)境對(duì)表型的影響等遺傳學(xué)核心問(wèn)題，既能凸顯遺傳學(xué)研究的系統(tǒng)性，又能使遺傳學(xué)教學(xué)具有連貫性和趣味性，在教學(xué)實(shí)踐中取得了很好的效果。

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(責(zé)任編委: 陳德富)

The genetic control of mouse coat color and its applications in genetics teaching

Wanjin Xing, Morigen

Department of Biology, School of Life Sciences, Inner Mongolia University, Hohhot 010021, China

Mice are the most commonly used mammalian model. The coat colors of mice are typical Mendelian traits, which have various colors such as white, black, yellow and agouti. The inheritance of mouse coat color is usually stated as an example only in teaching the knowledge of recessive lethal alleles. After searched the related literatures and summarized the molecular mechanisms of mouse coat color inheritance, we further expanded the application of this example into the introduction of the basic concepts of alleles and Mendelian laws, demonstration of the gene structure and function, regulation of gene expression, gene interaction, epigenetic modification, quantitative genetics, as well as evolutionary genetics. By running this example through the whole genetics-teaching lectures, we help the student to form a systemic and developmental view of genetic analysis. At the same time, this teaching approach not only highlights the advancement and integrity of genetics, but also results in a good teaching effect on inspiring the students’ interest and attracting students’ attention.

genetics; case-based teaching; mouse; coat color

2014-07-10;

2014-08-13

內(nèi)蒙古自治區(qū)生物化學(xué)系列課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)項(xiàng)目和內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)?？茖W(xué)研究項(xiàng)目(NJZZ14001)資助

邢萬(wàn)金，博士，教授，研究方向：分子遺傳學(xué)和基因工程。Tel: 0471-4992944; E-mail: xwanjin@imu.edu.cn

莫日根，博士，教授，研究方向：DNA 復(fù)制調(diào)控與細(xì)胞周期。E-mail: morigenm@life.imu.edu.cn

邢萬(wàn)金和莫日根同為第一作者。

10.3724/SP.J.1005.2014.1062

時(shí)間: 2014-9-18 11:38:34

URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1913.R.20140918.1138.001.html