蔣婧 孫曉燕 任航行*

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，重慶榮昌 402460

自然界中，禽類羽毛顏色五彩繽紛、變幻多端。羽色既是辨別種類與性別的重要表型性狀，也能產(chǎn)生重要的經(jīng)濟(jì)效益。禽類羽毛顏色表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)顏色和化學(xué)顏色的結(jié)合，結(jié)構(gòu)顏色是由光反射產(chǎn)生的，化學(xué)顏色是由包含在羽毛毛囊中的黑色素造成的[1]。黑色素是一種典型的化學(xué)生色色素，存在2 種類型，即真黑色素（黑色至棕色）和褐黑色素（紅色至黃色）[2]。這2 種色素在黑素細(xì)胞中產(chǎn)生，黑素細(xì)胞是主要存在于表皮、眼睛和毛囊中的特化細(xì)胞。黑色素在專門的細(xì)胞器——黑素體中產(chǎn)生，然后通過樹突狀突起運(yùn)輸?shù)缴L(zhǎng)中的毛發(fā)或角質(zhì)細(xì)胞中[3]。絢麗多彩的鳥類羽毛的顏色正是這些黑色素類型的結(jié)合體。黑色素的合成受復(fù)雜的生物學(xué)信號(hào)通路網(wǎng)絡(luò)調(diào)控，與多種黑素生成基因相關(guān)，其中，黑皮質(zhì)素1 受體基因（melanocortin 1 receptor，MC1R）是重要的調(diào)控基因之一，在控制黑素細(xì)胞合成的黑色素類型中起著至關(guān)重要的作用。

MC1R是黑素細(xì)胞上的一種七跨膜螺旋蛋白偶聯(lián)受體，屬于G 蛋白偶聯(lián)受體（G protein-coupled receptors，GPCRs）超家族，人的MC1R基因結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含有多個(gè)剪接變體且高度多態(tài)[4-6]，不僅在色素沉積方面發(fā)揮重要功能，還參與DNA 修復(fù)、促炎細(xì)胞因子的調(diào)控、棕色脂肪組織代謝等其他關(guān)鍵的生物學(xué)通路，與黑斑、痣、皮膚癌、白癜風(fēng)、帕金森等多種疾病相關(guān)[7-11]。但禽類MC1R基因結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，主要在發(fā)育中的羽毛和毛發(fā)的黑素細(xì)胞中表達(dá)，通過與其天然配體α-黑素細(xì)胞刺激素（α-melanocytestimulating hormone，α-MSH）或其拮抗劑刺鼠信號(hào)蛋白（agouti signaling protein，ASIP）結(jié)合，調(diào)控真黑素和褐黑素的合成[12]。MC1R的高活性導(dǎo)致黑色/棕色真黑色素的合成，而低活性導(dǎo)致紅色褐黑色素的合成或真黑色素合成的缺失，從而影響發(fā)育中的羽毛中產(chǎn)生的黑色素的類型和數(shù)量[13]。本文現(xiàn)對(duì)MC1R基因?qū)仪荩u、鴨）和野生鳥類（倉(cāng)鸮、鵪鶉）等禽類羽毛顏色變異的影響進(jìn)行綜述。

1 MC1R 基因?qū)仪萦鹈伾儺惖挠绊?/h2>

1.1 MC1R 基因?qū)﹄u羽毛顏色變異的影響

雞的MC1R基因位于11 號(hào)染色體，其編碼的E基因座調(diào)控毛囊中黑色素的合成，被證明是控制雞羽色表型的最重要基因座[14]?；诖?，雞羽毛類型主要對(duì)應(yīng)E（Extended）、ER（Birchen）、ewh（Wheaten）、e+（Wild-type）、eb（Brown）、es（Speckled）、ebc（Buttercup）和ey（Recessive Wheaten）等8 個(gè)等位基因，它們的顯隱性關(guān)系為：E＞ER＞ewh＞e+＞eb＞es＞ebc＞ey[15]。早在20世紀(jì)初，Ling 等[16]就確認(rèn)了各種等位基因?qū)?yīng)的表型和氨基酸位置（表1）。e+基因型為野生型，其公雞表型為黑色胸、紅色背，母雞背部為棕色斑點(diǎn)、胸部為淺棕色。eb、ewh和ey基因型的公雞表型外觀和e+基因型一樣，只是羽毛的底色即靠近皮膚的羽毛顏色與野生型的灰色底色有所不同，表現(xiàn)為白色或者奶油色；ewh和ey基因型的母雞羽色均為淺棕色，與e+基因型母雞的胸部羽色相同；eb基因型的母雞背部和翅膀的羽色與e+基因型母雞一樣，均為棕色斑點(diǎn)，但其胸部顏色也表現(xiàn)棕色斑點(diǎn)，與e+基因型胸部羽色不同。E 等位基因的公雞和母雞全身都為黑色羽毛。ER等位基因的公雞與野生型相比，其飛羽由半紅半黑變?yōu)槿冢鸽u有金色或銀色的頸羽，且所有的公雞和母雞的表皮均有黑色素沉著。

表1 E 基因座上的等位基因?qū)?yīng)的氨基酸位置[16]

國(guó)內(nèi)外雞品種中發(fā)現(xiàn)MC1R基因存在大量SNPs，除了表1中所出現(xiàn)的突變位點(diǎn)外，后來的研究又發(fā)現(xiàn)了一些新的突變位點(diǎn)。冉金山[17]在廣元灰雞（灰羽）、舊院黑雞（黑羽）、羅曼蛋雞（白羽）、蘆花雞（橫斑羽）和HS1（麻羽）群體中發(fā)現(xiàn)MC1R基因存在3 個(gè)錯(cuò)義突變，分別是T398A（p.L133Q）、T637C（p.C213R）和G920C（p.R307P），它們與雞羽色的形成有較強(qiáng)的相關(guān)性。其中T398A 在黑羽和麻羽群體中沒有發(fā)現(xiàn)，T637C 與T398A 均是前人已經(jīng)驗(yàn)證過的位點(diǎn)，G920C 在黑羽群體中沒有出現(xiàn)。在烏骨雞群體中[18]，共發(fā)現(xiàn)23 個(gè)SNPs，其中15 個(gè)位于啟動(dòng)子區(qū)（C-2536T、T-2260C、C-2257T、C-2175T、T-2022C、A-1952G、C-1934T、G-1925A、C-1924G、C-1881T、C-1876G、A-1750G、A-1737G、C-693T、G-405A），8 個(gè)位于外顯子區(qū)（Exon1-C69T、Exon1-T212C、Exon1-G274A、Exon1-T398C、Exon1-G636A、Exon1-T637C、Exon1-A644C、Exon1-C834T）。經(jīng)過基因多態(tài)位點(diǎn)與黑色素關(guān)聯(lián)分析，在MC1R基因上發(fā)現(xiàn)4 個(gè)與黑色素相關(guān)物質(zhì)關(guān)聯(lián)的位點(diǎn)，即C-2175T、Exon1 -G23A、Exon1 -T398C 和 Exon1 -T212C，可作為烏骨雞烏度選育的遺傳標(biāo)記或輔助參照。Zhang 等[19]在4 種不同羽色的雞群體中發(fā)現(xiàn)2個(gè)同義SNP（C69T 和G636A）和8 個(gè)非同義SNP（T212C、A274G、A356G、A427G、A551G、T637C、A646C 和T881C），其中3 個(gè)突變（p.E92K、p.N119G和p.I194T） 位于跨膜區(qū)、4 個(gè)替換（p.M71T、p.T143A、p.C213R 和p.H215P）位于細(xì)胞膜外、1 個(gè)替換（p.N184S）位于膜外。MC1R突變位點(diǎn)在不同品種、不同羽毛顏色群體中的基因頻率和基因型頻率的研究結(jié)果表明，C69T、T212C 和A274G 與瓦灰色羽毛顯著相關(guān)。在含有5 種羽色表型的雞群體中檢測(cè)到MC1R基因存在3 個(gè)SNP，即T398A（p.L133Q）、T637C（p.C213R）和G920C（p.R307P），基于這3 個(gè)SNP 獲得了6 個(gè)單倍型（H1-H6），其中H1（TTG）單倍型在各種羽毛顏色中出現(xiàn)頻率較高，推測(cè)H1 單倍型是優(yōu)勢(shì)單倍型[20]。H5（ATC）和H6（ACC）的單倍型主要集中在白雞和灰雞，在黑雞中沒有發(fā)現(xiàn)，因此猜測(cè)2 種單倍型可能部分抑制黑色素的產(chǎn)生[20]。在對(duì)日本品種和非日本品種雞MC1R基因的研究中[21]，發(fā)現(xiàn)了3 個(gè)同義核苷酸替換和11個(gè)非同義核苷酸替換，產(chǎn)生15 個(gè)單倍型（H0-H14），其中H9、H13 和H14 是新發(fā)現(xiàn)的3 種單倍型，H9 由已知的C69T、T212C、G274A 和G636A 組成；H13 除了已知的C69T、G178A、G274A、G636A和T637C 外，還有新發(fā)現(xiàn)的非同義突變C919G；H14包括已知的C69T、G274A 和G409A 和新發(fā)現(xiàn)的C919G。此外，A644C 取代（H5 單倍型）純合子的鳥類的羽毛顏色首次被定義為小麥樣，A427G 和G274A 替代分別與褐色和黑色羽毛顏色有關(guān)。MC1R基因G274A 的AA 基因型在黑色羽毛的河北雞優(yōu)勢(shì)表達(dá)，而G376A 位點(diǎn)的GG 基因型卻除黑河北雞以外的所有群體中都很常見，表明這2 個(gè)SNP 真黑色素色素沉著中起重要作用。有趣的是，多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)G409A（Ala137Thr）可能抑制G274A（Glu92Lys）的效果，這種效果通常會(huì)導(dǎo)致黑色羽毛的形成[21-22]。

1.2 MC1R 基因?qū)営鹈伾儺惖挠绊?/h3>

鴨的羽毛顏色也受MC1R基因的表達(dá)和多態(tài)性調(diào)控，Wang 等[23]在研究腹部白色和背部深色的淺褐色綠頭鴨背腹顏色變異的機(jī)制時(shí)，發(fā)現(xiàn)MC1R等8 個(gè)色素相關(guān)基因在不同部位的表達(dá)存在差異，提示背腹羽色差的分子調(diào)控機(jī)制可能與白鴨和黑鴨相似，是由于黑色素合成途徑中多個(gè)基因表達(dá)不同所致。董飚等[24]在番鴨MC1R基因編碼區(qū)發(fā)現(xiàn)G274A（p.E92K）、G279A、C485A（p.T162N）突變，其中G279A 突變的GG 基因型只在白羽番鴨群體中僅有，推測(cè)該突變對(duì)番鴨的羽色影響較大。夏波[25]在家鴨品種中檢測(cè)到MC1R基因2 個(gè)突變（Ala137Thr、Arg217Cys）的不同基因型在不同黑色素表型群體中的分布存在明顯差異，表明MC1R基因?qū)银営鹕哂兄匾绊?。一?xiàng)對(duì)13 個(gè)品種鴨MC1R基因多態(tài)性的研究發(fā)現(xiàn)G52A（p.K18E）、G376A（p.I126V）、G409A（p.R137T）和C649T（p.R217C）位點(diǎn)，其中G52A 和G376A 與黑色羽毛個(gè)體顯著相關(guān)[26]。后來的研究證實(shí)了這一結(jié)果，并進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)G52A 和G376A 對(duì)增強(qiáng)MC1R活性有促進(jìn)作用，從而促進(jìn)鴨羽毛中真黑素的沉積[27]。雖然A399G突變位點(diǎn)對(duì)羽色未造成影響，但它可以從本質(zhì)上有效鑒定和區(qū)分家鴨、白番鴨和半番鴨三類鴨群體，可成為番鴨品種保護(hù)的新方法[28]。

2 MC1R 基因?qū)σ吧B類羽毛顏色變異的影響

2.1 MC1R 基因?qū)μ?hào)鳥屬羽毛顏色變異的影響

在野生動(dòng)物中，MC1R基因表達(dá)水平與色素沉積相關(guān)性狀有關(guān)，灰林鸮的羽色呈淺紅色到深紅色漸變，雛鳥黑色素的著色程度與MC1R基因的表達(dá)水平顯著正相關(guān)，當(dāng)父母的紅色較深時(shí)，其后代MC1R基因的表達(dá)水平較高[29]。有趣的是，MC1R 基因不同位點(diǎn)的錯(cuò)義突變會(huì)導(dǎo)致突然的顏色變化，從而導(dǎo)致種群內(nèi)部或種群之間出現(xiàn)不同的顏色變化。Burri 等[30]發(fā)現(xiàn)歐洲倉(cāng)鸮的MC1R基因p.I126V 的雜合子和II 純合子個(gè)體羽色比VV 純合子個(gè)體羽色更紅，并進(jìn)化出了一種新的紅色表型。該位點(diǎn)在矛隼、綠頭鴨群體中也得到了驗(yàn)證[31]，這種纈氨酸-異亮氨酸替代與較深羽毛顏色相關(guān)，同時(shí)既改變了黑素生成相關(guān)基因的表達(dá)，還改變了顏色與MC1R上游的黑素皮質(zhì)蛋白基因表達(dá)之間的關(guān)系[32]。表明MC1R突變可以通過多效性黑素皮質(zhì)蛋白基因調(diào)節(jié)色素沉著。北極賊鷗和倉(cāng)鸮中同時(shí)存在的p.R8H 位點(diǎn)也與羽毛顏色相關(guān)[33]。此外，MC1R基因多態(tài)性還與鳥類遷徙進(jìn)化有關(guān)，來自英倫三島的倉(cāng)鸮羽色呈白色，比歐洲大陸任何種群都要白，在這些群體中，紅色的MC1R等位基因幾乎是不存在的，但在相同緯度的歐洲大陸上，其頻率接近50%，那里的倉(cāng)鸮羽色更深一些[33]。因此證明，英倫三島的倉(cāng)鸮并不是由歐洲大陸遷徙而來，且攜帶一個(gè)紅色等位基因的單個(gè)副本就足以確保較深的表型[34]。

2.2 MC1R 基因?qū)g鶉羽毛顏色變異的影響

日本鵪鶉通過與不同羽毛顏色的鵪鶉雜交，在羽毛顏色上表現(xiàn)出多態(tài)性，包括黑色、黃色、白色、野生型（栗色）和各種中間色。黑色鵪鶉的MC1R表達(dá)高于野生型鵪鶉和白色鵪鶉，在野生型日本鵪鶉胚胎中瞬時(shí)表達(dá)過MC1R基因可導(dǎo)致皮膚黑素生成增加，這在表型上類似于黑色鵪鶉[35]。褐羽鵪鶉和野生型鵪鶉群體中發(fā)現(xiàn)的p.E92K 突變與羽毛表型密切相關(guān)，該突變位于MC1R的跨膜2 區(qū)，可能通過激活MC1R基因來增加cAMP 活性和TYR 活性從而導(dǎo)致真黑色素增加[36]。在中國(guó)彩羽鵪鶉群體中，除了鑒定出已被證實(shí)可導(dǎo)致顯性黑色羽毛的p.E92K突變外，還發(fā)現(xiàn)另一個(gè)錯(cuò)義突變p.P292L，該突變可能與鳥類的受體失活相關(guān)，不直接影響真黑素/褐黑素的平衡，而影響羽毛圖案和/或顏色分布[37]。此外，在日本鵪鶉群體中發(fā)現(xiàn)的MC1R基因p.I57V 突變也與黑羽鵪鶉的黑色表型顯著相關(guān)[38]。

3 小結(jié)和展望

自然界中，無論是家禽還是野生鳥類，其羽毛顏色都是絢麗多彩的，這一特性除了是禽類本身重要的表型性狀外，也能產(chǎn)生不菲的經(jīng)濟(jì)效益，因此研究禽類羽毛顏色變幻多端的分子機(jī)制很有意義。禽類羽毛豐富的顏色是由結(jié)構(gòu)顏色和化學(xué)顏色共同構(gòu)成，其中化學(xué)顏色與皮膚和毛囊中黑色素細(xì)胞的增殖、分化、遷移和黑色素的合成以及色素沉積強(qiáng)烈相關(guān)。調(diào)節(jié)黑色素細(xì)胞發(fā)育和黑色素合成的生物信號(hào)網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)復(fù)雜，截至目前已被確認(rèn)參與其中的基因超過了150 個(gè)[39]，MC1R基因正是其中最重要的基因之一。在對(duì)雞、鴨、鸮和鵪鶉群體MC1R基因的研究發(fā)現(xiàn)，它們既有相同的突變位點(diǎn)影響羽色的變異，也存在特有的突變位點(diǎn)，說明MC1R基因在物種間存在差異，但總的來說，無論是MC1R基因表達(dá)還是其多態(tài)性都與禽類羽毛顏色變異顯著相關(guān)。禽類群體產(chǎn)生的大量自發(fā)突變?yōu)榻馕鯩C1R基因調(diào)節(jié)黑色素生成的分子機(jī)制提供了便利，研究結(jié)果既拓展了黑色素合成機(jī)制的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，又為禽類的遺傳選育提供參考。MC1R基因?qū)谏丶?xì)胞和黑色素的調(diào)控并不是獨(dú)立的，而是與黑色素調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的其他基因共同調(diào)控的，因此，在未來，需進(jìn)一步開展MC1R基因與其他基因協(xié)助或交叉調(diào)控的研究，配合生物信息學(xué)分析、全基因組關(guān)聯(lián)分析等新型研究手段，真正弄清楚禽類羽毛顏色變異背后的分子機(jī)制。