白少成，靳榮帥，張 琛，姚 凡，陳 陽，吳信生

（揚州大學動物科學與技術(shù)學院，江蘇揚州 225000）

黑色素分為真黑色素和褐黑色素，這兩種色素的比例影響著動物的體表和毛發(fā)顏色。一般來說，動物毛色表現(xiàn)出的黑色是通過真黑色素控制，而紅色或黃色是缺乏褐黑色素導(dǎo)致的[1]。溶質(zhì)載體家族7 成員11（Solute carrier family7 member11，Slc7a11）位于細胞膜上，該基因編碼胱氨酸/谷氨酸xCT 轉(zhuǎn)運載體，其主要作用是將細胞外的胱氨酸轉(zhuǎn)運到細胞內(nèi)，使胱氨酸在細胞內(nèi)被還原為半胱氨酸[2]。褐黑色素是由多巴向半胱氨酸合成的多巴途徑產(chǎn)生的，而Slc7a11基因通過影響胱氨酸的轉(zhuǎn)運使細胞內(nèi)不能攝取足夠的胱氨酸還原為半胱氨酸來滿足褐黑色素的合成，從而造成動物毛色的改變[3]。目前，多方學者探討了Slc7a11與動物黑色素沉積之間的關(guān)聯(lián)以及潛在機制，如何軍敏等[4]綿羊和羊駝中發(fā)現(xiàn)該基因在深色皮膚中的表達量較高；穆琳[5]在研究獺兔皮毛黑色素的沉積中證實了Slc7a11的相對功能；Wang 等[6]發(fā)現(xiàn)Slc7a11通過黑色素的生成途徑在紅羅非魚的膚色形成和分化起到重要作用。Slc7a11基因是如何調(diào)控黑色素合成的途徑使動物產(chǎn)生五彩斑斕的顏色，仍有待研究。本文將目前Slc7a11基因在動物體內(nèi)黑色素沉積機制做一綜述，初步分析真黑色素和褐黑色素的合成以及對不同物種毛色形成原因，為探索動物黑色素沉積的分子機制提供新的思路和方法。

1 Slc7a11 基因的結(jié)構(gòu)與功能

Slc7a11 屬于溶質(zhì)轉(zhuǎn)運家族（Solute Carrier Family，SLC）中第二大膜蛋白家族，是溶質(zhì)轉(zhuǎn)運第7 家族的第11 個成員，位于染色體4q28-q32，CDS 全長1 506 bp（人）和1 509 bp（鼠），編碼近500 個氨基酸[7]。該基因負責編碼氨基酸轉(zhuǎn)運載體xCT，目前該基因在哺乳動物的研究中多用于黑色素的調(diào)控與生成。xCT 是由Slc7a11負責編碼的氨基酸組成的轉(zhuǎn)運蛋白，作為胱氨酸/谷氨酸反轉(zhuǎn)運體xc-系統(tǒng)的輕鏈亞基，在哺乳動物體內(nèi)扮演一種重要的抗氧化蛋白，主要負責特異性轉(zhuǎn)運胱氨酸或谷氨酸，從而維持細胞內(nèi)谷胱甘肽（GSH）的水平[8-9]。有研究表明，Slc7a11可增強細胞的抗氧化能力，在氧化應(yīng)激下通過p53 介導(dǎo)其抑制作用，誘導(dǎo)細胞發(fā)生鐵中毒[9]。Slc7a11基因通過將細胞外的胱氨酸轉(zhuǎn)運到細胞內(nèi)，再將細胞內(nèi)的谷氨酸以相同比例的數(shù)量運輸?shù)郊毎?，以此來維持GSH 在細胞內(nèi)外的水平，進而維持機體內(nèi)正常黑色素的水平[10]。在功能上，Slc7a11基因已被證明在細胞增殖、氧化應(yīng)激反應(yīng)中起重要作用，從而可以作為用于各種疾病治療中的重要手段[11-13]。在毛色方面，Slc7a11基因具有調(diào)節(jié)黑色素細胞中氨基酸的轉(zhuǎn)運功能，從而在黑色素的合成中起重要作用[14-15]。

Slc7a11基因在調(diào)控氨基酸的轉(zhuǎn)運過程中發(fā)揮重要作用，且在大多數(shù)物種中較為保守。何軍敏等[4]采集4 種不同被毛顏色的伊犁哈薩克羊皮膚作為樣品，運用PCR-SSCP 以及測序技術(shù)對Slc7a11基因進行多態(tài)性分析，結(jié)果在該群體中未發(fā)現(xiàn)多態(tài)性；Tian 等[16]通過克隆羊駝Slc7a11基因的CDS 序列全長并進行序列比對和系統(tǒng)發(fā)育分析顯示，羊駝Slc7a11基因CDS 有1 512 bp，轉(zhuǎn)錄蛋白包含12 個跨膜區(qū)域的高度保守的氨基酸通透酶，并且確定了羊駝xCT 和野駱駝同一性最高并共享相同的分支都是高度保守。Anello 等[17]同樣在美洲駝中證實Slc7a11編碼具有氨基酸通透酶結(jié)構(gòu)域的高度保守蛋白，并且在其DNA 序列中檢測到7 個SNP，其中6 個為同義，1 個非同義，其中非同義SNP 與顏色的表達無關(guān)。此外，陳秋燃等[18]運用SNP 技術(shù)檢測不同被毛顏色獺兔Slc7a11基因的12 個外顯子，均沒有發(fā)現(xiàn)多態(tài)性的存在。目前，Slc7a11基因的研究多集中于毛皮動物，其在不同物種間的功能也具有相似性，這進一步說明該基因的編碼序列較為保守。

2 Slc7a11 基因調(diào)控褐黑素合成的途徑

在哺乳動物中，動物被毛顏色的改變受黑色素種類和含量不同的影響。黑色素在哺乳動物體內(nèi)大致分為兩類：一是不含硫原子且主要表現(xiàn)為黑色和棕色的真黑色素，另一種是含硫原子且大多表現(xiàn)為黃/紅色的褐黑色素，兩者在動物體內(nèi)的比例和分布特征決定了它們的顏色[19-20]。對于褐黑素的合成途徑（圖1），是多巴醌因酪氨酸酶（TYR）活性降低而導(dǎo)致其濃度降低，并與大量的GSH 或半胱氨酸結(jié)合形成谷胱甘肽多巴，在谷氨酰轉(zhuǎn)肽酶的催化下生成半胱氨酸多巴，從而形成褐黑色素[21]。Slc7a11通過調(diào)控胱氨酸/谷氨酸的轉(zhuǎn)運來影響動物毛發(fā)中黑色素的沉積，當該基因發(fā)生大片段缺失后，其編碼的轉(zhuǎn)運蛋白發(fā)生改變，使其編碼的氨基酸失去轉(zhuǎn)運功能，導(dǎo)致無法平衡細胞內(nèi)外的GSH 水平，進而直接作用于多巴醌到半胱氨酸的反應(yīng)階段來調(diào)控褐黑素的合成，最終造成動物毛色的改變[22-24]。

圖1 Slc7a11 基因在褐黑素生成過程中的調(diào)控機制

3 Slc7a11 在動物體內(nèi)黑色素沉積過程中的作用機制

Slc7a11基因在調(diào)控氨基酸的轉(zhuǎn)運過程中發(fā)揮重要作用，其通過為細胞提供半胱氨酸來幫助合成抗氧化劑GSH，從而促進細胞的抗氧化能力[25]。因為GSH 是細胞內(nèi)主要的抗氧化劑，而半胱氨酸是組成GSH 的3 種氨基酸之一，所以Slc7a11的表達量影響著GSH 的合成和細胞的抗氧化能力[26]。黑色素生成實際上就是一個依賴氧化的過程，在黑色素細胞中，細胞內(nèi)的半胱氨酸可以進入黑色素小體，并與黑色素合成途徑結(jié)合，從而降低半胱氨酸對谷胱甘肽合成的有效性[27]。半胱氨酸作用于黑色素的合成途徑也會影響生物體的色素沉著，因為在哺乳動物的毛發(fā)或禽類的羽毛等表皮結(jié)構(gòu)中沉積時，褐黑素會表現(xiàn)為橙色和淺黃色[28]。黑色素細胞中的褐黑素合成需要消耗GSH，如果黑色素細胞中的半胱氨酸大量用于合成褐黑素，可能會導(dǎo)致黑色素的顏色強度隨著Slc7a11的表達而增加[29]。

3.1Slc7a11基因在黑色素沉積過程中的表達規(guī)律 目前，關(guān)于Slc7a11基因調(diào)控哺乳動物毛發(fā)顏色的研究多集中于表達規(guī)律的分析。李洪濤等[30]采集2 周齡白色、棕色和黑色哈薩羔羊左肩胛部的皮膚組織，檢測到Slc7a11基因在棕色皮膚的表達量最高，其次是黑色皮膚，且這2 種顏色的羔羊與白色羔羊的Slc7a11基因表達量差異極顯著，同時檢測到xCT 蛋白在哈薩克羊皮膚中的表達量同樣在棕色皮膚中最高，該研究表明Slc7a11基因與棕色哈薩克羊的毛色表型顯著相關(guān)；He 等[31]為評估Slc7a11基因在調(diào)節(jié)綿羊毛色中的作用，克隆了正常綿羊皮膚成纖維細胞中該基因cDNA 的全長，通過使用睪丸注射轉(zhuǎn)基因方法獲得了sxCT-轉(zhuǎn)基因綿羊，并且該綿羊被毛呈現(xiàn)出褐色和黃色的斑點，這表明sxCT可以選擇型表達以增加羊毛中褐黑素的產(chǎn)生，從而驗證了睪丸注射轉(zhuǎn)基因技術(shù)可用于遺傳修飾綿羊毛色的猜想。Tian 等[16]以白色和棕色羊駝為實驗組，檢測這2 種顏色羊駝皮膚組織中mRNA 和xCT 蛋白的表達水平，發(fā)現(xiàn)棕色羊駝皮膚組織中的相對表達量顯著高于白色羊駝，這與李洪濤[30]在哈薩克羊中的研究結(jié)果一致；其次，Tian[16]通過免疫組化分析得出，xCT 轉(zhuǎn)運蛋白的信號分別在毛干、外根鞘、毛囊基質(zhì)和真皮乳頭中被發(fā)現(xiàn)，并且在棕色羊駝皮膚中呈現(xiàn)強陽性，在白色羊駝皮膚組織中明顯下降，該項研究證實Slc7a11基因?qū)ρ蝰勛厣l(fā)具有調(diào)控作用。除了在羊的種類上有此發(fā)現(xiàn)外，穆琳[5]在獺兔中的研究表明Slc7a11基因的表達量在蛋白青色和蛋白黃色的皮膚組織中較高。以上研究表明，Slc7a11對棕色毛發(fā)和皮膚的調(diào)控具有重要意義，進一步證實該基因在調(diào)控褐黑素生成過程中發(fā)揮的重要作用。

3.2Slc7a11基因在黑色素沉積過程中的調(diào)控機制 在Slc7a11基因調(diào)控黑色素沉積機制的研究中，Chintala 等[32]發(fā)現(xiàn)小鼠的淺灰色（sut）突變是由Slc7a11基因的缺失導(dǎo)致，xCT 蛋白缺失導(dǎo)致胱氨酸向黑色素細胞的轉(zhuǎn)運減少，進而導(dǎo)致細胞內(nèi)GSH 水平不足以滿足合成褐黑素的需求，阻礙了褐黑素的生成途徑，但真黑素沒有發(fā)生變化，因此小鼠的毛色由黃色變?yōu)榛疑?。Chen 等[33]通過實時PCR 技術(shù)檢測Slc7a11在不同毛色獺兔背部皮膚中的表達量，發(fā)現(xiàn)彩色獺兔皮膚中均有Slc7a11表達，其中以黃色獺兔皮膚中的表達量最高，白色最低，進一步利用定點突變技術(shù)、雙熒光素酶報告系統(tǒng)和競爭性EMSA 實驗，確認POU2F1 蛋白可結(jié)合于Slc7a11啟動子-731～703 bp 區(qū)域調(diào)控該基因的啟動子活性，進而影響Slc7a11的表達，參與獺兔的黑色素沉積。Yang 等[34]在對獺兔成纖維細胞中Slc7a11基因的過表達和干擾實驗，發(fā)現(xiàn)當Slc7a11過表達或抑制時，與同樣調(diào)控黑色素生成的MITF、MC1R、ASIP、CREB1、Slc24A5相關(guān)基因的mRNA 和蛋白表達量呈正相關(guān)，這表明Slc7a11可以影響獺兔細胞中其他參與調(diào)控黑色素沉積的基因。但于Slc7a11基因的作用機制研究還處于起步階段，作為黑色素沉積的關(guān)鍵基因，其上游調(diào)控因子及下游作用于黑色素沉積途徑等還有待進一步的挖掘與探究。

4 總結(jié)與展望

黑色素在動物體內(nèi)的沉積對動物毛色的改變起著決定性的作用，所以研究者嘗試通過研究黑色素在動物體內(nèi)的變化來培育出理想的毛色品系，同時也為人類黑色素沉積相關(guān)疾病提供重要靶點。Slc7a11基因作為近年來新發(fā)現(xiàn)的與黑色素沉積相關(guān)的研究熱點，它通過調(diào)節(jié)胱氨酸/ 谷氨酸的轉(zhuǎn)運來維持細胞內(nèi)外正常的GSH 水平，進而影響動物體內(nèi)褐黑素的形成，最終表現(xiàn)為動物被毛顏色的改變。目前，關(guān)于調(diào)控黑色素生成的基因中，Slc7a11基因多集中于毛皮動物毛色的研究，對于其中具體的調(diào)控機理還有待發(fā)掘。此外，調(diào)控黑色素合成的基因之間存在一定的聯(lián)系，但其中具體的作用機制較為空白，深入解析其具體的作用機制有助于進一步探尋動物體內(nèi)黑色素沉積的規(guī)律及揭示動物毛色形成機理。