MITF基因?qū)倚笊爻练e性狀影響的研究進(jìn)展

孫曉燕，趙金紅

(1.重慶市畜牧科學(xué)院，重慶 402460；2.重慶市山羊工程技術(shù)研究中心，重慶 402460)

1 概述

黑色素合成對(duì)生物體抵抗紫外線(xiàn)照射和其他外部壓力至關(guān)重要，種類(lèi)、含量及分布決定了動(dòng)物的不同色素沉積表型。這些表型不僅代表了動(dòng)物重要的天然外貌特征與生態(tài)多樣性，也為遺傳育種提供潛在的輔助標(biāo)記，而一些家畜的毛色與體色特征本身即具有重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值。黑色素是以酪氨酸為底物，在黑色素細(xì)胞的特定細(xì)胞器——黑素小體中，受多種轉(zhuǎn)錄因子、結(jié)構(gòu)蛋白和酶的精細(xì)調(diào)控協(xié)作處理，經(jīng)過(guò)一系列自分泌和旁分泌信號(hào)交互級(jí)聯(lián)事件后形成的。這一過(guò)程受遺傳途徑和環(huán)境因素的共同影響，其中所涉及的相關(guān)基因的突變均可影響動(dòng)物的著色表型。小眼畸形相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子(microphthalmia-associtated transcription factor，MITF)是在黑色素形成路徑中起關(guān)鍵作用的一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子，并且貫穿黑色素細(xì)胞發(fā)育、增殖和存活的始終[1]。MITF基因通過(guò)選擇性使用不同的啟動(dòng)子，至少可編碼產(chǎn)生9種蛋白異構(gòu)體，其中，最短的MITF-M為黑色素細(xì)胞特異型[2]。MITF基因不僅在MC1R/cAMP/MITF這一經(jīng)典的黑色素合成通路中發(fā)揮核心作用，也參與了幾乎其他所有與黑色素生成有關(guān)的信號(hào)通路[3]。MITF基因活性與表達(dá)水平的異常與動(dòng)物皮膚的疾病，如惡性黑色素瘤、皮膚脫色性疾病等有關(guān)，而皮膚系統(tǒng)在動(dòng)物體內(nèi)平衡中起著重要的作用。因此，深入研究家畜色素沉積的遺傳途徑不僅具有重要的經(jīng)濟(jì)意義，還對(duì)動(dòng)物與人類(lèi)色素疾病發(fā)生的遺傳機(jī)制、診斷、預(yù)后和治療至關(guān)重要。

2 MITF基因?qū)倚笊爻练e性狀的影響

2.1 MITF基因?qū)ωi色素沉積性狀的影響

MITF基因被認(rèn)為是中國(guó)多個(gè)家豬品種(巴馬香豬、寧鄉(xiāng)豬、五指山豬)白色斑點(diǎn)模式的一個(gè)強(qiáng)有力的候選基因[4]，全基因組分析揭示了MITF基因參與了桐城豬“兩頭黑”這一性狀的形成[5]。Chen等在“榮昌豬遺傳性聽(tīng)力缺陷家系”的MITF基因的非調(diào)控區(qū)域發(fā)現(xiàn)了僅對(duì)一個(gè)MITF-M亞型產(chǎn)生影響的突變，它產(chǎn)生了一種新的沉默子，MITF-M亞型表達(dá)的消除導(dǎo)致了豬耳蝸血管紋中間細(xì)胞的早期退化和深度聽(tīng)力損失，以及色素脫失，其病理表現(xiàn)和發(fā)病規(guī)律類(lèi)似人類(lèi)Waardenburg綜合征(Waardenburg Syndrome，WS)的典型表型，提示這可能是一種新的在哺乳動(dòng)物體內(nèi)產(chǎn)生系統(tǒng)功能效應(yīng)的順式調(diào)控元件[6]。Du的研究同樣發(fā)現(xiàn)MITF突變可導(dǎo)致豬的WS[7]。張廷煥等明確了豬MITF基因3個(gè)重要的轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)域，及轉(zhuǎn)錄因子KLF4對(duì)其轉(zhuǎn)錄活性的調(diào)控關(guān)系[4]。Bourneuf等對(duì)豬MITF可變轉(zhuǎn)錄本進(jìn)行了特征描述，雖然未揭示其與多種黑素瘤相關(guān)性狀存在顯著關(guān)聯(lián)，但值得注意的是，在豬黑色素瘤樣本中，MITF異構(gòu)體的比率遵循其在人類(lèi)腫瘤中相同的模式，因而推測(cè)不排除它在豬的黑色素瘤的發(fā)生和演變中發(fā)揮潛在顯著作用的可能[8]。合適的動(dòng)物模型對(duì)于更好地解析復(fù)雜疾病的發(fā)病機(jī)制并確定治療方案至關(guān)重要，Waardenburg綜合征2型(Waardenburg Syndrome type 2，WS2A)在MITF突變的小鼠模型中的隱性模式傳播限制了對(duì)相關(guān)病理表型的研究，而豬在解剖、代謝和生理方面與人類(lèi)更為相似，這突出了豬作為人類(lèi)黑色素瘤模型的充分性。在過(guò)去幾十年間也一直有幾種不同的模型豬被維持，如Hai等通過(guò)乙基亞硝基脲誘變將MITF基因DNA結(jié)合區(qū)域的氨基酸進(jìn)行替換，生成了一個(gè)新的WS2A小型豬模型[9]，所篩選出的MITF基因純合突變體豬也可作為研究色素疾病、眼發(fā)育缺陷、聽(tīng)覺(jué)損失和神經(jīng)退行性疾病等復(fù)雜疾病的理想大型哺乳動(dòng)物模型。目前，已有利用CRISPR/Cas9修復(fù)MITF突變導(dǎo)致的豬眼睛發(fā)育缺陷的報(bào)道[10]。

2.2 MITF基因?qū)εＩ爻练e性狀的影響

白化病可導(dǎo)致家畜的外貌不符合品種標(biāo)準(zhǔn)，并可能由于缺乏保護(hù)性黑色素而更易受到紫外線(xiàn)傷害，因此在畜牧生產(chǎn)中被廣泛認(rèn)為是一種不利的特征。在多個(gè)純種和雜交牛品種中均有完全或部分白化病的報(bào)道。德國(guó)弗萊維赫牛中被確定了一種與皮膚色素減退、虹膜異色、眼組織缺損和雙側(cè)聽(tīng)力喪失相關(guān)的顯性遺傳綜合征，與人類(lèi)中的WS2A對(duì)應(yīng)，位于MITF蛋白高度保守堿性區(qū)域內(nèi)的錯(cuò)義突變(R210I)被確認(rèn)為該綜合征的原因[11]。在棕色瑞士牛中，MITF基因的5′UTR的變異(rs722765315)被認(rèn)為是白色斑點(diǎn)表型最有可能的原因[12]。Wiedemar等發(fā)現(xiàn)?；蚪M22號(hào)染色體上，包括了MITF基因在內(nèi)的一個(gè)19MB的從頭缺失導(dǎo)致了一頭荷斯坦牛的小眼球癥和皮膚色素缺失[13]。張建一等發(fā)現(xiàn)牦牛黑色被毛的皮膚組織中的MITF表達(dá)量極顯著高于白色被毛[14]。MITF基因的變異也解釋了意大利的荷斯坦牛和西蒙塔爾牛的斑點(diǎn)和非斑點(diǎn)兩種表型之間的差異，但該基因的變異不是決定這兩個(gè)牛品種斑點(diǎn)病的唯一遺傳因素[15]。MITF基因及其與其他基因的互作還在確定埃薩俄比亞的Begait和Fogera牛種群中的斑點(diǎn)表型模式中發(fā)揮了作用[16]。一項(xiàng)對(duì)荷斯坦牛的全基因組關(guān)聯(lián)研究發(fā)現(xiàn)包括MITF在內(nèi)的6個(gè)基因有望作為檢測(cè)2個(gè)色素沉積性狀(軀體黑色比例、乳頭顏色)的候選基因[17]。Jivanji等通過(guò)對(duì)混合品種與性別的大數(shù)量群體牛進(jìn)行了大規(guī)模的基因繪圖研究，結(jié)果提示存在涉及KIT和其他基因的多個(gè)或多等位高度顯著數(shù)量性狀位點(diǎn)(QTL)，該發(fā)現(xiàn)擴(kuò)展了之前關(guān)于牛MITF變異對(duì)皮膚色素沉積影響的研究?jī)?nèi)容，提出了MITF和其他毛色相關(guān)基因候選致病突變之間的新關(guān)聯(lián)[18]。這些研究說(shuō)明黑色素的形成涉及大量基因的參與和復(fù)雜的生化過(guò)程，牛出現(xiàn)白化表型的原因不能追溯到某個(gè)單一基因[19]。至今已有包括MITF基因和其他基因的突變被報(bào)道與牛的白化病或類(lèi)似白化病的表型有關(guān)，因此，還需要更多相關(guān)表型的動(dòng)物樣本與技術(shù)手段來(lái)闡明這些基因是否單個(gè)或多者結(jié)合才是真正的致因突變。

2.3 MITF基因?qū)︸R色素沉積性狀的影響

馬的白色斑點(diǎn)表型在一些品種中受到高度重視，與經(jīng)濟(jì)價(jià)值直接相關(guān)，斑點(diǎn)表型變化范圍可從很小的白色斑點(diǎn)到完全的白色。已有的研究證實(shí)MITF、EDNRB、KIT、PAX3和TRPM1基因代表了馬白色斑點(diǎn)表型的一部分已知候選基因[20]。Haase等報(bào)道KIT和MITF位點(diǎn)的一系列單倍型突變的積累是Franches-Montagnes馬白斑的主要決定因素[21]。Hauswirth等同樣發(fā)現(xiàn)MITF和PAX3的突變導(dǎo)致美國(guó)夸特馬的“濺白”色和其他白色斑點(diǎn)表型，并伴隨部分個(gè)體耳聾，這些“濺白”色的馬在MITF基因黑素細(xì)胞特異性啟動(dòng)子中有一個(gè)10 bp的插入變異，除了“濺白”毛色的夸特馬中，這一啟動(dòng)子插入變異還存在于其他品種的“濺白”毛色馬中，并且在具有白色斑點(diǎn)表型的其他品種馬的MITF基因中還發(fā)現(xiàn)了另外兩個(gè)非同義突變；MITF和PAX3基因的幾個(gè)獨(dú)立突變，加上之前已報(bào)道的EDNRB和KIT基因的變異，共同解釋了在更大范圍具有更極端白色斑點(diǎn)的馬的表型[22]。Negro等報(bào)道KIT和MITF基因的變異與西班牙Menorca純種馬(純色)和西班牙純種馬(具有不同毛色表型)的白色斑紋模式有關(guān)[23]。Henkel等在一個(gè)美國(guó)花馬家族分離出了具有白色斑點(diǎn)和藍(lán)色眼睛表型的個(gè)體，且其中部分個(gè)體耳聾，全基因組測(cè)序顯示白色斑點(diǎn)馬的MITF基因存在一個(gè)橫跨外顯子6～9的63 407 bp的大片段雜合子缺失，該結(jié)構(gòu)變異與色素脫失和耳聾風(fēng)險(xiǎn)增加的綜合征表型非常吻合，并與人類(lèi)WS2A相對(duì)應(yīng)[24]。新疆哈薩克馬具有獨(dú)特的斑點(diǎn)毛色表型，其中3種表型(白斑點(diǎn)騮毛馬、白斑點(diǎn)栗毛馬、青毛馬)的騮毛、栗毛的形成與MITF基因的表達(dá)量存在相關(guān)性，而其他斑點(diǎn)類(lèi)型可能與其他調(diào)控基因有關(guān)[25]。由于馬斑點(diǎn)表型多變，缺乏規(guī)律性，關(guān)于馬毛色調(diào)控的遺傳機(jī)制仍未解析。已有的研究表明，MITF基因與其他毛色基因的復(fù)雜協(xié)同作用對(duì)馬各種斑點(diǎn)表型的調(diào)控機(jī)理有待進(jìn)一步深入挖掘。

2.4 MITF基因?qū)d羊和山羊色素沉積性狀的影響

羊的毛色和花紋是具有重要生物學(xué)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義的重要特征之一。在藏羊中的研究表明，MITF基因可能與藏羊眼圈周?chē)谏幻皖i部棕黑色被毛有關(guān)[26]。楊玉靜等通過(guò)體外實(shí)驗(yàn)證明綿羊黑素細(xì)胞中過(guò)表達(dá)MITF可提高黑色素的生成量[27]。Saravanaperumal等總結(jié)了7個(gè)MITF可變剪接體在美利奴綿羊皮膚中的表達(dá)情況，證明MITF基因的表達(dá)是通過(guò)一個(gè)內(nèi)含子6剪接事件介導(dǎo)的[28]。MITF基因還可受到G蛋白偶聯(lián)受體143(GPR143)、可溶性鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶(sGC)的調(diào)控，參與綿羊被毛顏色的形成[29-30]。許冬梅等的研究表明MITF mRNA的3'UTR可受到miR-186-5p的靶向，MITF的表達(dá)和翻譯受到抑制，從而降低綿羊黑素細(xì)胞內(nèi)黑色素的生成[31]。Li等在芬蘭綿羊群體中的全基因組掃描研究表明，MITF基因是綿羊毛色性狀的潛在候選位點(diǎn)[32]。任航行等對(duì)不同膚色山羊皮膚組織的表達(dá)量分析顯示，MITF基因表達(dá)量無(wú)顯著差異，提示MITF基因在山羊身體著色機(jī)制中的作用有待于進(jìn)一步研究[33]。此外，Jin等和Edea等開(kāi)展的基因組選擇特征分析表明，MITF基因可能在那曲藏山羊和埃塞俄比亞綿羊群體的高海拔適應(yīng)中起著重要的作用，這也為綿羊和山羊種質(zhì)資源的保護(hù)和利用提供了新的理論基礎(chǔ)[34-35]。以上研究對(duì)MITF基因影響綿羊和山羊著色特征的遺傳機(jī)制尚未完全闡明，仍有待于進(jìn)一步深入研究。

2.5 MITF基因?qū)ρ蝰勆爻练e性狀的影響

羊駝是一種毛用偶蹄哺乳家畜，具有多種毛色表型，可為毛紡織業(yè)提供重要的原材料。體外實(shí)驗(yàn)證明MITF的磷酸化能夠促進(jìn)羊駝皮膚黑素細(xì)胞黑色素形成[36]。另外，MITF基因可受到多種miRNA，如miRNA-25、miR508-3p、miRNA-96-5p、miR-380-3p、miR-143-5p的靶向，從而調(diào)控羊駝的色素沉著[37-42]。Wang等研究顯示MITF表達(dá)量還受到FGF21基因通過(guò)ERK1/2通路介導(dǎo)，從而影響羊駝黑素細(xì)胞的黑色素形成[43]。Anello等對(duì)白色和有著色的美洲羊駝的研究表明，MITF-M的表達(dá)水平在不同毛色表型的美洲羊駝上存在顯著差異，并且MITF-M表達(dá)的下調(diào)參與了美洲羊駝白色表型的產(chǎn)生，但導(dǎo)致白色皮毛顏色的原因仍有待進(jìn)一步闡明[44]。

2.6 MITF基因?qū)ν蒙爻练e性狀的影響

何孟頡等對(duì)5個(gè)不同毛色表型的兔群體研究表明，MITF基因的表達(dá)可能影響獺兔皮膚和被毛的顏色[45]。牛曉艷等報(bào)道MITF基因的外顯子1、5、7中發(fā)現(xiàn)一些多態(tài)性與獺兔毛色有顯著關(guān)聯(lián)，是影響其毛色的關(guān)鍵基因[46]。Hu等研究發(fā)現(xiàn)不同毛色獺兔皮膚中黑色素含量及毛色表型基本一致，且MITF基因在黑色皮膚組織中的表達(dá)水平最高，表明與黑色素的形成有關(guān)[47]。MITF基因還可能受到SLC7A11基因的敲低和POU2F1基因異常表達(dá)的影響，從而影響兔的色素沉著[48-49]。王曼曼鑒定了家兔MITF基因的6種剪接異構(gòu)體(MITFX1-X6)并分別轉(zhuǎn)染到永生化兔黑色素細(xì)胞中，發(fā)現(xiàn)均顯著增加了黑色素細(xì)胞中總黑色素和真黑色素含量[50]，說(shuō)明剪接異構(gòu)體并未影響MITF基因在兔黑色素細(xì)胞中的表達(dá)，但不同異構(gòu)體的下游信號(hào)通路存在著差異。黃燕平等報(bào)道了MITF基因在不同顏色獺兔(黑色、青藍(lán)紫色、白色)中的表達(dá)量水平差異極顯著，暗示MITF基因參與了獺兔毛色的形成[51]。已有的研究結(jié)果拓展了MITF基因在兔色素沉積中的作用，為后續(xù)深入解析兔色素沉積的遺傳機(jī)理提供了理論基礎(chǔ)。

3 結(jié)語(yǔ)

迄今已有超過(guò)150個(gè)基因在細(xì)胞或者亞細(xì)胞水平上被確認(rèn)參與調(diào)節(jié)黑色素細(xì)胞發(fā)育和黑素形成的不同途徑，提示轉(zhuǎn)錄后黑色素生成和著色基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制的復(fù)雜性[52]。家畜群體產(chǎn)生的大量的自發(fā)突變體為解析MITF基因?qū)谒丶?xì)胞的遷移、增殖、分化和生存提供了便利，研究結(jié)果拓展了家畜色素沉積機(jī)制的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，也為開(kāi)展選育符合市場(chǎng)需求色彩特征的家畜提供了重要參考。這些研究結(jié)果既對(duì)現(xiàn)有的動(dòng)物色素沉著機(jī)制提供理論補(bǔ)充，也為在治療動(dòng)物色素相關(guān)疾病的研究中尋找藥物的作用靶點(diǎn)提供新線(xiàn)索，但同時(shí)也仍需進(jìn)一步開(kāi)展MITF基因與其他遺傳因子的交叉調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的研究。另外，在人類(lèi)中因患者數(shù)量少和難以建立針對(duì)嚴(yán)重顯性疾病的動(dòng)物模型，對(duì)相關(guān)散發(fā)性綜合征的臨床病理和分子特征的研究受到一定阻礙，色素沉積有關(guān)疾病如黑色素瘤發(fā)生的機(jī)制目前尚未完全解析。而一些家畜(豬、牛、馬)中也可見(jiàn)相似特征的散發(fā)性綜合征，有望在后基因組時(shí)代為深入探索人類(lèi)臨床病例的遺傳病因及相關(guān)分子機(jī)制提供合適的大型哺乳動(dòng)物模型。隨著高通量測(cè)序技術(shù)快速發(fā)展、測(cè)序成本降低、高密度SNP芯片基因分型技術(shù)發(fā)展、大型共享數(shù)據(jù)庫(kù)可用性提升，配合日益完善的生物信息學(xué)分析手段，全基因組序列大數(shù)據(jù)的可獲得性大大提高，可在各種家畜上開(kāi)展快速解析遺傳結(jié)構(gòu)，為深入研究動(dòng)物黑色素沉積的內(nèi)在調(diào)控機(jī)制提供更充分的理論依據(jù)。