洞穴適應(yīng)是一種極端而有趣的生物學(xué)現(xiàn)象。在兩棲動(dòng)物中，紅點(diǎn)齒蟾（Oreolalax rhodostigmatus）很好地適應(yīng)了洞穴生活，其蝌蚪常年生活于喀斯特地貌的溶洞中，皮膚透明；而其成體則需要在洞外捕食，背部皮膚整體呈現(xiàn)深黑色。同時(shí)，暴露于自然光下的蝌蚪會(huì)在15小時(shí)候從透明變?yōu)榛液谏Ｌ崾酒渖叵到y(tǒng)特別，既需要保證無(wú)光條件下極低的色素分布，又要保證光照下迅速的皮膚色素覆蓋，以抵御紫外線。
圖1 光線暴露下紅點(diǎn)齒蟾的快速黑化現(xiàn)象。
針對(duì)這一有趣的現(xiàn)象，中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所江建平研究團(tuán)隊(duì)的朱未、王斌等人比較了不同光照時(shí)間暴露后紅點(diǎn)齒蟾的基因表達(dá)變化，發(fā)現(xiàn)光照下紅點(diǎn)齒蟾蝌蚪皮膚黑化的本質(zhì)是黑色素細(xì)胞的增殖和黑色素的從頭合成（形態(tài)學(xué)顏色改變），而非色素在細(xì)胞內(nèi)的分散與聚集（生理學(xué)顏色改變）。一般而言，形態(tài)學(xué)顏色改變的速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于生理學(xué)顏色改變（數(shù)小時(shí)），往往需要數(shù)天到數(shù)周的時(shí)間才能觀察到明顯的變化。那么紅點(diǎn)齒蟾蝌蚪是如何實(shí)現(xiàn)快速的形態(tài)學(xué)顏色改變呢？分析表明，光照激活了強(qiáng)烈的細(xì)胞增殖和分裂信號(hào)，包括：各類生長(zhǎng)因子（PDGF、FGF、HGF等）信號(hào)及其下游的MAPK信號(hào)和PI3K-Akt信號(hào)，其為快速的形態(tài)學(xué)改變提供了基礎(chǔ)。
更為重要的是，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)紅點(diǎn)齒蟾的M1CR基因（黑素細(xì)胞刺激荷爾蒙受體）的第二跨膜螺旋與第三跨膜螺旋之間的胞外區(qū)存在4個(gè)氨基酸片段的缺失，該區(qū)域位于MC1R配體結(jié)合域。MC1R是黑色素細(xì)胞增殖和色素合成的關(guān)鍵受體，其配體為帶正電荷的α-MSH（黑色素細(xì)胞刺激荷爾蒙），其受紫外線刺激而釋放。蛋白三維重構(gòu)表明，該片段缺失導(dǎo)致紅點(diǎn)齒蟾的MC1R第三跨膜螺旋延長(zhǎng)，同時(shí)使得3個(gè)Asp殘基（其他蛙僅1個(gè)）串聯(lián)排列于配體口袋中，形成一個(gè)帶負(fù)電荷的陷阱樣結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng)對(duì)MSH信號(hào)的響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)快速黑化。另外，研究證實(shí)了MC1R配體結(jié)合域的正電荷水平與其本底活性正相關(guān)，自然界的許多黑化現(xiàn)象（如：黑化美洲豹、黑化老鼠、黑化狐貍等）均與該區(qū)域的堿化或去酸化突變有關(guān)。紅點(diǎn)齒蟾MC1R的配體結(jié)合域有3個(gè)Asp負(fù)電荷，可以推測(cè)其具有較低的本底活性，也為洞穴環(huán)境下的透明表型提供了解釋。因此，MC1R的片段缺失和氨基酸突變是紅點(diǎn)齒蟾在色素調(diào)節(jié)方面適應(yīng)洞穴環(huán)境的關(guān)鍵。該研究首次揭示了MC1R突變與兩棲類色素適應(yīng)的關(guān)聯(lián)，也為非專性洞穴物種的顏色適應(yīng)機(jī)制提供了新的視角。相關(guān)成果發(fā)表于BMC genomics。
該研究獲得了院重點(diǎn)部署項(xiàng)目，自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目和西部之光項(xiàng)目的支持。
圖2 紅點(diǎn)齒蟾MC1R基因片段缺失及其對(duì)三維結(jié)構(gòu)和電荷性質(zhì)的影響。
圖3 MC1R的突變解釋了紅點(diǎn)齒蟾如何實(shí)現(xiàn)洞穴中維持透明表型以及光照下快速色素生成。