小鼠毛色的基因密码

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01


毛发生长与毛色形成


毛发生于毛囊，毛囊深植于皮肤的表皮和真皮中，其最下部的毛球是毛发生长的起始部位，黑色素细胞分布于其中，负责合成各种色素颗粒[1]。毛发的生长是周期性的，分生长期、退行期和休止期3个阶段。生长期时，毛囊具有高度代谢活性，毛干中的髓质和皮质细胞吸收附近的色素颗粒，展现出相应的颜色。因此，毛发的颜色取决于色素颗粒种类以及色素颗粒的迁移过程。
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图1. 白发形成过程[2]


02


毛色基因C、B&A影响黑色素的合成


黑色素是由黑色素细胞合成的、一种氨基酸衍生的生物色素，属于多元酚类聚合物，主要分棕/黑色的真黑素和红/黄色的褐黑素两种类型[3]。黑色素的合成过程复杂（图2），L-酪氨酸氧化是黑色素合成的起始步骤，酪氨酸酶（TYR）、酪氨酸酶相关蛋白1（TRP-1）和酪氨酸酶相关蛋白2（TRP-2）是黑色素合成的重要限速因素。如果这些关键基因发生突变，就会出现不同的毛色。
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图2. 黑色素合成路径[3]

 2.1   毛色基因C

例如，酪氨酸激酶Tyr突变丧失生物活性后，色素颗粒无法合成，就形成白化（albino）小鼠。这一基因决定小鼠是白色还是非白色。非白色是显性遗传的，用C表示；而白色是隐性遗传的，用c表示。所有白化小鼠如Balb/c，FVB和ICR等，该位点的两个等位基因均为无活性的酪氨酸激酶。由于影响黑色素合成早期步骤，一旦产生会完全掩盖其他毛色的性状。
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图3. BALB/c小鼠

 2.2   毛色基因B

而在酪氨酸激酶有活性时，真黑色素产生过程中又受TRP-1和TRP-2基因调节。TRP-1有活性时，催化更多偏黑色的真黑色素颗粒产生，小鼠毛发将着黑色，如C57BL小鼠（C57BL/6JSmoc小鼠的祖系）。如TRP-1蛋白活性丢失，则将以合成棕色色素颗粒为主，小鼠毛色将表现为棕色，如C57BR小鼠。黑色是显性遗传的，通常用B来表示；褐色则是隐性遗传的，用b来表示。
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图4. C57BL/6（左）与C57BR（右）

 2.3   毛色基因A

黑色素合成限速酶的表达水平也受到多种蛋白的调控。α-MSH是由黑色素细胞和角质细胞通过自分泌和旁分泌方式产生的多肽，通过与黑色素细胞上的受体MC1R结合触发G蛋白偶联作用，促进TYR、TRP-1和TRP-2的表达上调，刺激黑色（或棕色）色素颗粒合成。α-MSH同MC1R解离后，则会促进褐黑色素的合成。
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图5. aMSH-MC1R信号通路 [4]

α-MSH与MC1R的结合过程受到ASP（Agouti Signaling Protein）的拮抗。因此ASP表达后，黑色素细胞会选择合成更多的褐黑色素。有意思的是，ASP受毛囊发生周期调控，表现为在毛囊发生的不同周期中或表达或关闭，其结果是毛发顶端以下会有一段是黄色，而其他部分都是黑色或者褐色。这样颜色被称为野生型（agouti）毛色，该位点基因通常以大写字母A表示，A对a也是显性。最常用的胚胎干细胞系的来源——129小鼠，即为野生型毛色。
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图6. 129小鼠


03


毛色基因P,D影响黑色素的转运


黑色素小体（melanosome）是黑色素细胞中淀粉样纤维形成的纹状体结构所构成的一种特化的膜结合细胞器，黑色素在黑色素小体中合成，而后由黑色素小体依靠细胞骨架移动和定位系统利用微管运输，转移到黑色素细胞周质，从微管上释放并转运至邻近的角质细胞[3]。
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图7. 黑色素形成的信号通路[3]

 3.1   毛色基因P

在此过程中，有2个基因的突变更为常见。P（pink-eyed dilution）基因为膜相关转运蛋白基因，通过调控Tyr酶的翻译后修饰和运输，调控黑色素的形成。该性状是隐性遗传，用p表示。Pink-eyed dilution小鼠的黑色素的量少了很多，但褐色素受的影响很少。呈现出来的性状是小鼠有粉色的眼睛，并且毛色被冲淡。如黑色non-agouti的小鼠，如果有pink-eyed dilution的性状，看起来就像有银色的皮毛。
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图8. Nonagouti pink-eyed dilution小鼠

 3.2   毛色基因D

肌动蛋白相关的肌球蛋白Va（Myo5a）参与了黑色素正常转运过程。如果该基因发生突变（以Myo5ad或d来表示），黑色素细胞合成的色素颗粒向细胞外运输的效率将下降，导致小鼠的毛杆着色变浅，如DBA1小鼠和DBA2小鼠。D对d显性。
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图9. DBA小鼠

总结一下，最常遇到小鼠毛色由５个基因位点控制的，ABCDP：
1、Agouti vs non-Agouti, A, a,
2、Black vs brown,B,b,Tyrp1+/Tyrp1b
3、Pigmented vs albino, C, c, Tyr+/Tyrc
4、Non-dilute vs dilute,D,d,Myo5a+/ Myo5ad
5、Non-pink vs pink-eyed dilution, P,p


04


小鼠毛色与ES细胞打靶


在CRISPR/Cas9技术还未普及前，ES细胞打靶技术是最常用的基因编辑手段。主要方法是利用同源重组技术对ES细胞特定位点的基因进行改造，通过显微注射方法将经过遗传修饰的ES细胞引入受体胚胎内，最终形成嵌合小鼠。

为方便区分小鼠的嵌合程度，通常ES细胞系来源的小鼠毛色与供体囊胚来源的小鼠毛色是不一样的，所以嵌合体子代小鼠的毛色是不均一的(图10)，一般选择嵌合程度高的小鼠用于后续的繁育。繁育过程中，会出现毛色性状的分离，有时需要结合基因型鉴定确定阳性小鼠。
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图10. ES打靶阳性小鼠繁育过程[6]


所以，小白鼠你明白了吗？你来自于嵌合小鼠和BALB/c小鼠的后代，因为是隐形遗传，所以爸爸妈妈都没有表现出来，恰好你随机遗传了他们的一个隐性基因，因此化身白色小鼠啦。



参考文献
[1] Current Challenges in Understanding the Story of Skin Pigmentation — Bridging the Morpho-Anatomical and Functional Aspects of Mammalian Melanocytes. http://dx.doi.org/10.5772/60714
[2] http://hennaforhair.com/gray/graying2.html
[3] 王 磊，刘 军. 黑色素形成分子机制研究进展.新疆大学学报(自然科学版). Vol.36, No.4.2019
[4]https://mutagenetix.utsouthwestern.edu/phenotypic/phenotypic_rec.cfm?pk=366
[5]https://ki-sbc.mit.edu/preclinical-modeling/methods/generation-mice



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