李佳晟,孫曉江,白瑞,范瑞文
(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院,山西太谷030801)
羊駝毛色形成分子調(diào)控研究進(jìn)展
李佳晟,孫曉江,白瑞,范瑞文
(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院,山西太谷030801)
羊駝是唯一一種毛纖維顏色豐富、含22種天然色的毛用型經(jīng)濟(jì)動(dòng)物。羊駝毛色表型取決于皮膚和毛囊黑色素細(xì)胞產(chǎn)生的黑色素以及黑色素運(yùn)輸?shù)街車腔?xì)胞的種類和數(shù)量,主要由遺傳基因決定。近年來(lái),對(duì)羊駝毛色形成的分子機(jī)制進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究,發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞內(nèi)多個(gè)毛色相關(guān)基因及其分子路徑以及細(xì)胞外對(duì)色素生成的相關(guān)作用因子。對(duì)調(diào)控羊駝毛色的關(guān)鍵基因以及miRNAs調(diào)控毛色的研究進(jìn)行了綜述。
羊駝;毛色;黑色素;調(diào)控基因;miRNAs
羊駝(alpaca)源于南美洲的安第斯山脈,是駱駝科的毛用哺乳動(dòng)物,毛纖維質(zhì)地柔軟,長(zhǎng)而細(xì),彈性和韌性強(qiáng),有“軟黃金”的美譽(yù)。現(xiàn)在主要分布在海拔高度為4 200 m的秘魯、玻利維亞、智利、阿根廷以及澳大利亞,少數(shù)分布在厄瓜多爾、美國(guó)、加拿大、日本和中國(guó)。自2002年Huacaya羊駝被引入我國(guó)以來(lái),其已成功進(jìn)行繁育,并建立了穩(wěn)定的遺傳品系。
毛色是脊椎動(dòng)物最先被發(fā)現(xiàn)的表型特征之一,可用于鑒別動(dòng)物亞種(或品種)[1]。羊駝的毛色是其重要的經(jīng)濟(jì)性狀之一,具有從白色到黑色22種天然毛色。近年來(lái),圍繞羊駝毛色形成的分子機(jī)制進(jìn)行了相關(guān)研究,逐漸發(fā)現(xiàn)了毛色形成機(jī)制調(diào)控網(wǎng)絡(luò),有助于建立羊駝等毛用型經(jīng)濟(jì)動(dòng)物毛色遺傳修飾新途徑。
羊駝毛色豐富,主要與其復(fù)雜的調(diào)控基因密不可分,黑色素在其中扮演關(guān)鍵角色,其主要控制黑色素細(xì)胞的發(fā)育和黑色素的生成、運(yùn)輸2個(gè)途徑。黑色素是一種多功能的生物聚合物,由真黑素(不含硫原子且難溶)、褐黑素(含硫原子且易溶于堿)混合的形式表示[2-3]。羊駝毛囊內(nèi)的黑色素細(xì)胞產(chǎn)生的黑色素的質(zhì)和量決定其毛色。黑色素母細(xì)胞是原始的黑色素細(xì)胞,由胚胎神經(jīng)嵴細(xì)胞發(fā)育而成,在后期向表皮移動(dòng)并分化為前黑素細(xì)胞,黑色素母細(xì)胞和前黑色素細(xì)胞均不能生成黑色素。只有當(dāng)黑色素細(xì)胞成熟之后才能生成黑色素。L-酪氨酸的生成在黑色素生成早期是強(qiáng)制性的,且有限速作用。許多研究表明,黑色素細(xì)胞內(nèi)酪氨酸酶催化機(jī)體內(nèi)的酪氨酸發(fā)生羥化并啟動(dòng)相關(guān)反應(yīng)以生成黑色素。酪氨酸酶能催化酪氨酸形成無(wú)色的多巴色素,多巴色素經(jīng)過(guò)羥化、脫羧、催化氧化等反應(yīng),最后形成真黑素。在后面反應(yīng)中如有半胱氨酸的參與,則產(chǎn)生Cys-多巴和Cys-多巴醌,同樣通過(guò)關(guān)環(huán)、脫羧等反應(yīng),最后生成褐黑素。
2.1 羊駝黑色素生成中的關(guān)鍵限速酶——TYR,TYRP1和DCT
酪氨酸酶(Tyrosinase,TYR)是黑色素生成過(guò)程中的關(guān)鍵酶,具有酪氨酸羥化酶和多巴氧化酶2種活性[4]。作為黑色素生成過(guò)程中不可或缺的啟動(dòng)因子,TYR的活性與表達(dá)量直接決定著黑色素的產(chǎn)量和生成速度[5],較高水平的TYR有利于黑色素的生成[6]。酪氨酸酶相關(guān)蛋白-1(Tyrosinase-related protein 1,TYRP1)和酪氨酸酶相關(guān)蛋白-2(Tyrosinase-related protein 2,TYRP2,DCT)均各自催化特異性反應(yīng)。研究認(rèn)為,外源性的TYRP1和DCT的表達(dá)均能上調(diào)TYR的活性,促進(jìn)黑色素的生成。TRR,YPRP1,TYRP2這3種蛋白存在的同源性為40%,其基因一同構(gòu)成酪氨酸酶基因家族[7]。白瑞等[8]研究發(fā)現(xiàn),TYR基因在第10代羊駝黑色素細(xì)胞的表達(dá)量相當(dāng)于第3代細(xì)胞表達(dá)量的25倍。試驗(yàn)結(jié)果表明,不同濃度的L-酪氨酸作用于羊駝黑色素細(xì)胞后,可使得TYR的mRNA的表達(dá)量顯著變化,而且發(fā)現(xiàn)較低濃度的L-酪氨酸會(huì)提高TYR的mRNA表達(dá)量,而較高濃度的L-酪氨酸反而會(huì)使酪氨酸酶的mRNA的表達(dá)量降低,證明L-酪氨酸對(duì)酪氨酸酶具有一定制約關(guān)系[5]。
2.2 羊駝黑色素生成的重要轉(zhuǎn)錄因子——MITF
3.1 cAMP信號(hào)通路
3.1.1 CREBcAMP應(yīng)答元件結(jié)合蛋白(cAMP response element binding protein,CREB)是一種真核生物細(xì)胞核內(nèi)蛋白,它的功能主要是調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄,故稱為調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄的核因子。CREB具有調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄功能,同時(shí)受到自身磷酸化作用的調(diào)控,該作用具有區(qū)域依賴性[14-15]。當(dāng)前已知,CREB是許多蛋白激酶的磷酸化底物,在這些激酶中,最早被確認(rèn)的一種是PKA。張俊珍等[16]通過(guò)實(shí)時(shí)熒光定量PCR發(fā)現(xiàn),CREB1基因在棕黑色羊駝皮膚中的表達(dá)量是其在白色羊駝皮膚中的表達(dá)量的2.997倍。CREB1基因在羊駝黑色素細(xì)胞內(nèi)是MITF預(yù)測(cè)分值最高的靶基因結(jié)合位點(diǎn)。
3.1.2 MC1R成熟黑色素細(xì)胞表面共有5種類型的黑色素皮質(zhì)素受體[17],其中,黑色素皮質(zhì)素受體-1(Melanocortin-1 receptor,MC1R)屬于G蛋白偶聯(lián)受體超家族。MC1R具有7個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域,被α-MSH視為天然受體[18]。任玉紅等[19]研究發(fā)現(xiàn),在棕色和白色羊駝皮膚表皮、毛囊周圍外根鞘組織、毛球周圍以及真皮乳頭均有MC1R蛋白表達(dá),但棕色羊駝主要在毛球頂部及表皮呈強(qiáng)陽(yáng)性著色,而白色羊駝在相同部位呈弱陽(yáng)性。MC1R基因在棕色羊駝皮膚中的基因表達(dá)量是白色羊駝的4.32倍,二者間差異極顯著。
3.1.3 Lpa-miR-nov-66Lpa-miR-nov-66可與sGC基因的CDS區(qū)域進(jìn)行結(jié)合,升高sGC基因表達(dá)量,調(diào)控升高cGMP含量,繼而使cAMP含量降低,從而通過(guò)cAMP信號(hào)通路作用于MITF基因,下調(diào)黑色素的生成量[20]。
3.1.4 miR-324-3p曾慶寶等[21]經(jīng)miR-324-3p調(diào)控MC1R基因影響黑色素形成的研究,發(fā)現(xiàn)通過(guò)轉(zhuǎn)染過(guò)表達(dá)miR-324-3p能夠調(diào)控MC1R的表達(dá),下調(diào)MC1R導(dǎo)致下游MITF,TYR,TYRP2的基因表達(dá)下調(diào),羊駝黑色素細(xì)胞黑色素的生成即受到抑制。
3.2 MAPK信號(hào)通路
3.2.1 KIT受體酪氨酸激酶(KIT)基因?yàn)楸磉_(dá)黑色素細(xì)胞前體物,是干細(xì)胞生長(zhǎng)因子受體,該受體是酪氨酸激酶受體家族成員之一。在羊駝毛囊中,有色羊駝毛囊結(jié)構(gòu)中的KIT陽(yáng)性強(qiáng)度高于白色羊駝,KIT在有色羊駝毛根成形部呈強(qiáng)陽(yáng)性,毛根永久部有少量表達(dá)。在白色羊駝毛根永久部有較強(qiáng)的陽(yáng)性反應(yīng),但在毛球部幾乎不表達(dá)。KIT在有色羊駝皮膚組織中的相對(duì)表達(dá)量是白色羊駝的1.2倍[22]。3.2.2miR-193b張丹麗等[23]研究了在白色和棕色羊駝皮膚中miR-193b及其靶基因KIT的表達(dá)情況,結(jié)果發(fā)現(xiàn),白色羊駝中KIT顯著表達(dá),而棕色羊駝中miR-193b顯著表達(dá),可推斷miR-193b可能通過(guò)負(fù)調(diào)控KIT基因而促進(jìn)黑色素的生成。
3.3 Wnt信號(hào)通路
步驟4:進(jìn)行特征值分解,然后依據(jù)信號(hào)子空間和噪聲子空間的正交性,進(jìn)行譜峰搜索,最終得到DOA估計(jì)結(jié)果.
3.3.1 β-cateninβ-連環(huán)蛋白(β-catenin)是一種廣泛分布且功能多樣的蛋白質(zhì),具有高度保守的特點(diǎn),處于Wnt信號(hào)通路下游,能夠影響細(xì)胞的黏著,具有細(xì)胞內(nèi)信號(hào)和調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄的作用。β-catenin誘導(dǎo)毛囊形態(tài)的發(fā)生和毛囊干細(xì)胞的增生分化,影響毛發(fā)周期。于秀菊等[24]研究發(fā)現(xiàn),β-catenin基因在羊駝表皮、毛乳頭和毛根鞘不同部位表達(dá)差異極顯著,并發(fā)現(xiàn)棕色羊駝皮膚中表達(dá)量顯著高于白色羊駝皮膚,印證了β-catenin基因在黑色素合成過(guò)程中起到了調(diào)控作用。
3.3.2 Wnt3aWnt家族基因編碼分泌性蛋白,目前主要有19種Wnt蛋白。Wnt3a蛋白屬于分泌型生長(zhǎng)因子[25]。宋云飛等[26]研究發(fā)現(xiàn),Wnt3a基因在棕色羊駝中的表達(dá)量明顯高于白色羊駝。Wnt3a在羊駝毛囊毛球部和根鞘都存在陽(yáng)性反應(yīng)物,不同毛色羊駝表達(dá)量差異顯著。Wnt3a基因在黑色素細(xì)胞中升高β-catenin的表達(dá)量,繼而調(diào)控MITF基因的表達(dá)量,最終調(diào)控黑色素的生成量。
3.4 TGF-β信號(hào)通路
3.4.1 TGF-β1轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β(Transforming growth factor-β,TGF-β)有3個(gè)不同的家族成員,分別是TGF-β1,TGF-β2,TGF-β3。TGF-β是一種多功能性的生長(zhǎng)因子,在損傷修復(fù)、臟器纖維化、炎癥性疾病、腫瘤以及自身免疫性疾病等發(fā)生發(fā)展過(guò)程中具有顯著作用。賈小云等[27]通過(guò)qRT-PCR分析發(fā)現(xiàn),TGF-β1 mRNA的表達(dá)量在白色羊駝皮膚組織中明顯低于棕色羊駝,說(shuō)明TGF-β1可能與黑色素的合成具有一定關(guān)聯(lián)。
3.4.2 miR-663賈小云等[28]研究miR-633靶向TGF-β1調(diào)控羊駝黑色素細(xì)胞色素生成中發(fā)現(xiàn),miR-633能夠抑制TGF-β1的表達(dá),影響TGF-β信號(hào)通路,抑制黑色素細(xì)胞中的黑色素的生成。
4.1 α-MSH
α-黑素細(xì)胞刺激素(α-Melanocyte stimulating hormone,α-MSH)是一種神經(jīng)內(nèi)分泌激素。α-MSH與黑色素細(xì)胞表面受體MC1R結(jié)合,可使細(xì)胞內(nèi)cAMP水平升高,繼而使TYR基因的表達(dá)量升高、活性加強(qiáng),最終促進(jìn)黑色素的生成,并可優(yōu)先刺激真黑素的生成。同時(shí)對(duì)維持和調(diào)節(jié)黑色素細(xì)胞的增殖、樹(shù)突形成起著關(guān)鍵的調(diào)控作用。于志慧等[29]研究發(fā)現(xiàn),在羊駝黑色素細(xì)胞中體外添加一定濃度的α-MSH能誘導(dǎo)樹(shù)突增長(zhǎng)、細(xì)胞增殖,同時(shí)細(xì)胞內(nèi)MC1R,MITF和TYR基因表達(dá)量升高,促進(jìn)黑色素生成。α-MSH與受體MC1R結(jié)合介導(dǎo)cAMP信號(hào)通路進(jìn)而調(diào)節(jié)黑色素的生成。
4.2 IGF1
胰島素樣生長(zhǎng)因子1(insulin-likegrowth factor,IGF1)是由70個(gè)氨基酸組成的單鏈性多肽,其在細(xì)胞的增殖、分化、遷移等方面發(fā)揮重要作用。后續(xù)研究證明,IGF1是影響動(dòng)物毛發(fā)生長(zhǎng)發(fā)育和毛囊周期性變化的關(guān)鍵因子,其通過(guò)與受體IGF1R結(jié)合來(lái)發(fā)揮生物學(xué)作用。IGF1R是Ⅱ型TYR激酶受體家族的成員,對(duì)黑色素調(diào)控起到關(guān)鍵作用[30-32]。研究表明,添加適當(dāng)濃度IGF1在體外培養(yǎng)的羊駝黑色素細(xì)胞中,可使MITF,TYR,TYRP2基因的表達(dá)量顯著上調(diào),進(jìn)而促進(jìn)黑色素的生成,同時(shí)提高了黑色素細(xì)胞增殖與遷移能力。當(dāng)添加濃度為10 ng/mL時(shí),作用最為顯著[33]。
4.3 END-1
內(nèi)皮素(Endothelin,END)是一種由內(nèi)皮細(xì)胞生成的生物活性肽,由21個(gè)氨基酸組成,其具有3種異構(gòu)體(END-1,END-2,END-3)。它廣泛存在于包括皮膚在內(nèi)的大部分組織,是一類促分化劑和細(xì)胞生長(zhǎng)因子,對(duì)細(xì)胞內(nèi)有絲分裂起促進(jìn)作用。研究發(fā)現(xiàn),內(nèi)皮素可促進(jìn)黑色素細(xì)胞的成熟與分化[34]。耿建軍等[35]發(fā)現(xiàn)適當(dāng)濃度的END-1可促進(jìn)羊駝黑色素細(xì)胞增殖、樹(shù)突增長(zhǎng),并上調(diào)細(xì)胞內(nèi)TYR,TYRP1和EDNRB基因表達(dá)量,最終使黑色素生成量增加。
4.4 END-3
適當(dāng)濃度的外源內(nèi)皮素3(END-3)通過(guò)G蛋白偶聯(lián)內(nèi)皮素受體B(ENDRB)與KIT信號(hào)通路共同作用,可使黑色素細(xì)胞中TYR和MITF的mRNA與蛋白水平的表達(dá)量上調(diào),使黑色素生成量增加[36]。
4.5 TGF-β3
研究發(fā)現(xiàn),體外培養(yǎng)的黑色素細(xì)胞中添加適當(dāng)濃度的TGF-β3,可促進(jìn)黑色素細(xì)胞突觸的形成,確保黑色素的運(yùn)輸。添加不同濃度的TGF-β3,可使MITF,TYR,TYRP2基因在mRNA水平和蛋白水平均不同程度下調(diào),導(dǎo)致黑色素細(xì)胞中黑色素的生成量減少[37]。
近年來(lái),圍繞羊駝毛色形成的分子機(jī)制進(jìn)行了相關(guān)研究,先后發(fā)現(xiàn)了決定羊駝毛色的關(guān)鍵基因、cAMP/Wnt/TGF-β/MAPK的4條信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中的關(guān)鍵分子以及細(xì)胞外作用因子,同時(shí)調(diào)控黑色素生成的分子網(wǎng)絡(luò)正在逐步形成。
隨著消費(fèi)水平的逐漸提高,人們對(duì)色彩多樣的服裝的需求量也越來(lái)越大。動(dòng)物毛纖維作為人類紡織業(yè)重要的原材料,對(duì)其質(zhì)量和數(shù)量上均提出較高的要求。然而當(dāng)今社會(huì)絢麗多彩的紡織品主要是通過(guò)化學(xué)染料的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的,這類紡織品對(duì)身體健康和社會(huì)環(huán)境均有一定影響,因此引起社會(huì)各界的關(guān)注,如今更多的人們提出純天然、多色彩毛纖維來(lái)替代化學(xué)染料。如果可以通過(guò)人工干預(yù)動(dòng)物毛色基因的表達(dá)從而改變動(dòng)物毛色,必將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)影響力,這也將是社會(huì)發(fā)展的趨勢(shì)。
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Research Advances of the Molecular Regulation of Hair Color Formation in Alpaca
LI Jiasheng,SUNXiaojiang,BAI Rui,F(xiàn)ANRuiwen
(College ofAnimal Science and VeterinaryMedicine,Shanxi Agricultural University,Taigu 030801,China)
Alpacas,which are the economic hair-producing animals,have 22 natural hair colors.The phenotypes of hair colors are closely determined by the types and amount of melanins produced in melanocyte and transferred to the keratinocytes around,which are mainlydecided bythe genes.For many years,our team has been devoted to the research ofthe molecular regulation ofhair color genes of alpacas.To date,we have found a fewof hair color related genes and its pathway.This paper summarized the advance of the molecular pathwayofhair color related genes and miRNAs.
alpaca;coat color;melanin;regulation gene;miRNAs
S829.9
:A
:1002-2481(2017)06-1044-05
10.3969/j.issn.1002-2481.2017.06.44
2017-03-17
山西省“三晉青年學(xué)者”人才專項(xiàng)
李佳晟(1995-),男,山西沁水人,在讀本科,研究方向:動(dòng)物毛色的形成機(jī)制。范瑞文為通信作者。