华大海洋发表黑色素基因进化相关研究论文 - 海洋鸟类研究论文发表

近日，华大海洋完成黑色素基因进化研究项目，相关论文发表于国际学术期刊Frontiers in Genetics（图1），该研究成果将为观赏鱼类分子育种提供新思路与重要参考。图1 论文发表在Frontiers in Genetics上(2021, 12:707228)

色素广泛存在于动物的皮肤、羽毛、毛发和鳞片等中，不同的颜色类型都发挥着实质功能（比如求偶、保护色、边界界定和同类识别等）。其中，黑色素是动物中最多的色素类型，主要用来抵御太阳紫外线，由黑色素细胞合成并受到一系列基因的调控（图2）。

" D" M$ `, w4 R4 V+ L5 Z, P 鱼类由于经历多次全基因组复制事件，从而拥有多拷贝的黑色素相关基因。另外，白化或透明鱼类尤其是观赏鱼（如玻璃猫鱼等）是广泛养殖的品种，经济价值高。但是，目前尚未有一个对已测序鱼类白化分子机制的系统性总结。

本研究项目以几种白化鱼类作为研究对象，分析了有关物种中黑色素和反光银色素相关基因的拷贝数变化、基因丢失和外显子序列突变的现象。

结果显示，墨西哥脂鲤基因组中slc24a5（钙交换家族成员5）基因、安水金线鲃中tyrp1a（酪氨酸酶相关蛋白1）和pmelb（黑素小体特异性蛋白b）基因、深海狮子鱼中pmelb以及大银鱼中mitfa（小眼畸形相关转录因子）基因都发生了无义突变导致的基因失活现象，可能是这些鱼类白化的主要分子机制[1]。

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具体而言，本论文主要通过重点分析tyr、tyrp1、tyrp2、pmel、mitf和slc24a5等黑色素合成关键基因（图2）在90个代表物种中的拷贝数变化和组织分布情况，并观察这些基因在白化鱼类中的突变情况。

图2 黑色素合成的相关基因通路汇总

tyr基因家族分析

tyr基因家族主要包括tyr、tyrp1和tyrp2基因。其中tyr调控蛋白是一种氧化酶，是调控黑色素生成的限速酶，能转化酪氨酸合成二羟基苯丙氨酸。先前的研究表明，斑马鱼tyr基因发生突变，可导致白化，从而产生sandy白化品系；相似的tyr基因的突变在人类中会导致I型白化病发生。tyrp1和tyrp2调控蛋白参与转化多巴色素为二羟基吲哚羧酸。在斑马鱼中，同时敲除tyrp1a和tyrp1b基因导致突变体的黑色条带明显变浅呈褐色。此外，在小鼠、狗、家鸡等物种中的tyrp1突变也出现了类似的褐色性状。本论文通过对90个代表物种中tyr基因家族分析，发现绝大多数硬骨鱼类基因组存在2个拷贝的tyr（tyra和tyrb）和tyrp1（tyr1a和tyr1b）基因，但只有1个tyrp2基因。我们进一步发现河豚的tyrp1b基因特异性丢失、安水金线鲃（白化的洞穴金线鲃）[2]的tyrp2基因变成假基因。 2 g9 x$ E$ I* z7 V- G

mitf基因分析

mitf编码出了一个重要的转录因子来调控tyr、tyrp1、tyrp2和pmel基因。大多数脊椎动物只有一个mitf基因，但是硬骨鱼类有两个（即mitfa和mitfb）。这两个基因的功能1亿年前在鱼类中发生了分化，其中mitfa继承了原始的调控黑色素形成功能，而mitfb与视网膜色素细胞发育相关。先前的研究论文报道了nacre斑马鱼的白化性状是由于其mitfa基因发生了假基因化[3]。我们在90个代表脊椎动物的基因组中鉴定到135个mitf基因。特别是发现白化的洞穴墨西哥脂鲤（图3A）丢失了mitfa基因（图3C上），在大银鱼[4]（图3B）中mitfa基因出现了与nacre斑马鱼相同的假基因化（图3C下）。mitfa基因的丢失和假基因化可能是洞穴墨西哥脂鲤和大银鱼形成白化性状的重要分子机制。图3 mitfa基因的丢失和假基因化

pmel基因分析

pmel基因，也叫silver基因，编码出了一个I型跨膜蛋白催化黑色素前体的形成。爬行动物和哺乳动物基因组中只有1个pmel拷贝，大部分鸟类丢失了此基因，硬骨鱼类有两个但两个拷贝也发生了功能分化。其中pmela基因同时在黑色素细胞和视网膜细胞内表达，pmelb基因只在视网膜细胞中表达。前人发现pmel基因突变会导致马的毛发变成白色和苍白色，也会导致家鸡和鹌鹑的羽毛变成白色或淡黄色。有趣的是，我们发现在安水金线鲃（图4A）和深海狮子鱼（图4B）[5]中pmel基因同样出现了基因突变，导致其变成假基因（图4C）。此基因的失活可能是深海狮子鱼和安水金线鲃白化的一个重要原因。图4 pmelb基因的假基因化

slc24a5基因分析

slc25a5基因编码出了一个黑色素合成通路中至关重要的转运蛋白。在斑马鱼中slc24a5基因的失去使得斑马鱼的黑色素减少。我们在90个脊椎动物基因组中鉴定到94个slc24a5基因，并发现墨西哥脂鲤的slc24a5基因假基因化（图5B）可能是其白化（图5A）的重要原因。图5 slc24a5基因的假基因化 ! `3 J9 {' R: \" v

关于作者

华大海洋研究院副院长卞超副研究员、博士生李蕊晗和文正勇为论文共同第一作者，院长石琼教授和澳门大学副校长葛伟教授为论文通讯作者。该研究受深圳市科创委国际合作项目支持。

参考文献

[1] Bian C.et al., Frontiers in Genetics, 2021, 12:707228.[2] Yang J.et al., BMC Biology, 2016, 14:1.[3] Bian C.et al., International Journal of Molecular Sciences, 2020, 21(7):2385.[4] Liu K.et al., GigaScience, 2017, 6(4):giw012.[5] Mu Y.et al., PLoS Genetics, 2021, 17(5):e1009530.点击下方，即可查阅论文原文 , D' B1 a$ D9 V( T4 k ; F8 v. v" ^/ ?& [! i# H" B 8 g! i" ?! r3 x# P) @