动物黑色素沉着基因KIT和MLPH的研究进展*

刘 杰 刘 毅 胡彦竞科 何大乾 刘安芳

(1.西南大学荣昌校区，重庆 402460；2.上海市农业科学院，上海 201106)

动物黑色素沉着基因KIT和MLPH的研究进展*

刘 杰1,2刘 毅2胡彦竞科1何大乾2刘安芳1

(1.西南大学荣昌校区，重庆 402460；2.上海市农业科学院，上海 201106)

动物不同的肤色和被毛颜色与黑色素沉着的种类和数量有关，而黑色素的沉着需要众多基因的参与，涉及KIT和MLPH基因等，前者在黑色素的生成过程中发挥重要的作用，后者在黑素小体转运的过程中具有关键的作用。先前的研究表明，KIT基因的突变，导致动物被毛颜色的改变，同时，KIT基因突变还与人类疾病有关；MLPH基因的变异影响动物被毛的颜色，导致动物被毛颜色变淡。本文主要对黑素细胞的形成、黑色素的合成、黑色素的转运和KIT及 MLPH基因的研究进行概述，旨在为黑色素沉着机制、动物皮肤和被毛的着色研究提供参考。

KIT基因；MLPH基因；黑色素；黑素小体

动物有不同的肤色和被毛颜色是由于黑色素沉着的种类和数量不同，因此产生了丰富多彩的表型。在脊椎动物中，皮肤和被毛的着色产生多种多样的表型性状，具有伪装、求偶、交流、警告或者恐吓捕食者及物种识别等功能[1-2]。对于人类，皮肤中的黑色素具有光保护作用，可以防止紫外线渗透进入皮肤表皮层，同时清除氧化反应产生的自由基，以免氧化损伤DNA[3]。动物黑色素沉着的变异是显而易见的表型性状[4]，可以通过构建模式动物去研究复杂性状，揭示基因型与表型的密切关系[5]。

众多的基因调控黑色素的沉着，使动物的皮肤和被毛呈现不同的颜色。至今，大约有150个基因参与毛色的形成[2]，包括v-kit Hardy-Zuckerman 4猫科肉瘤病毒致癌基因同源物(the v-kit Hardy-Zuckerman 4 feline sarcoma viral oncogene homolog, KIT)和黑素亲和素(melanophilin, MLPH)等。KIT是酪氨酸蛋白激酶受体家族中的重要成员之一，其配体是干细胞生长因子[6]和肥大细胞生长因子[7]，在黑色素的生成、造血作用、配子形成及肥大细胞发育的过程中发挥重要作用。同时，KIT及其配体的缺失或变异导致红细胞和白细胞缺乏、色素减退及不育[8-9]。MLPH、小GTP结合蛋白(Rab27a)和肌球蛋白Va(Myosin Va，Myo5a)形成三元复合物[10]，在黑素小体转运的过程中具有关键作用，使黑素小体在黑素细胞树突末梢聚集，实现黑素小体从黑素细胞转移至邻近的角质细胞，但是MLPH的突变会影响黑素小体的转运过程，使动物毛色或羽色变淡。

1 黑色素沉着概述

黑色素沉着主要包括以下几个方面：在发育过程中，成黑素细胞迁移到特定的组织；成黑素细胞的存活及分化成黑素细胞；黑素细胞的密度；酶的功能和黑素小体结构的成熟；不同类型的黑色素合成；黑素小体转运的黑色素在邻近的角质细胞中的分布[11]。

1.1 黑素细胞的形成

在胚胎发育的过程中，黑素细胞由成黑素细胞增殖、分化而来[5]。成黑素细胞来源于神经嵴细胞，通过背外侧途径迁移到皮肤表皮和毛囊。先前的研究表明，老鼠黑素细胞在妊娠中期开始发育，即胚胎的8.5～9.5d。在胚胎的8.5d成黑素细胞开始增殖，随后在胚胎的11.5～15.5d，成黑素细胞大量增殖并迁移覆盖整个胚胎，最后在胚胎的15.5d，成黑素细胞朝着初生毛囊的基质迁移，其中一部分成黑素细胞形成黑素细胞干细胞，另一部分迁移到毛囊分化为成熟的黑素细胞[12]。黑素细胞干细胞是静止期细胞，停留在初生毛囊的底层膨大部位。当下一个生长周期到来时，黑素细胞干细胞开始增殖，产生黑素细胞前提细胞，即成黑素细胞[13-14]。成黑素细胞又分化为成熟的黑素细胞，开始合成黑色素，通过黑素小体转运至邻近的角质细胞，实现黑色素的沉着，使动物皮肤和被毛的呈现不同的颜色。Peter等人研究表明，KIT/干细胞因子信号通路与黑素细胞的存活、迁移和分化有关，c-KIT的表达是成黑素细胞迁移到毛囊上皮的前提条件[15]。

1.2 黑色素的合成

黑素细胞中的黑素小体是一种溶酶体相关细胞器，是合成黑色素的唯一场所。在黑素小体中合成真黑素和褐黑素，前者呈现黑色或棕色，例如黑色头发；后者呈现红色或黄色，例如红色的头发。

黑色素的合成是酪氨酸酶催化体内酪氨酸羟化而启动的一系列生化反应过程。参与黑色素合成的酶有酪氨酸酶( tyrosinase,TYR)、酪氨酸酶相关蛋白1( tyrosinase-related protein 1，TYRP1)和多巴色素互变异构酶(DOPAchrome tautomerase，DCT)，其功能紊乱会导致黑色素沉着失调[16]。体内酪氨酸在TYR催化下生成3,4-二羟基苯丙氨酸(Dopa，多巴)，多巴进一步氧化生成多巴醌(DQ)。当多巴醌与半胱氨酸(Cys)结合后生成半胱氨酸多巴(Cys-dopa)，经氧化反应和多聚化反应，生成褐黑素。当黑素小体内缺乏半胱氨酸，过多的多巴醌环化形成多巴色素，随后脱羧形成5,6-二羟基吲哚(DHI)，经氧化和聚合反应形成真黑素。如果体内有多巴色素互变异构酶，多巴色素羟化为5,6-二羟基吲哚羧酸(DHICA)，也形成真黑素[11,17-18]。

1.3 黑素小体的转运

黑素小体的形成、成熟和转运是色素沉着的关键[16]。黑素细胞中成熟的黑素小体通过微管运送到树突末梢，随后转移到相邻的角质细胞。黑素小体在黑素细胞中沿着微管做双向运动，直到黑素小体在树突末梢被捕获。黑素小体在微管和黑素细胞外周的运动分为长距离运动和短距离运动，前者需要驱动蛋白和动力蛋白的参与，后者需要Rab27a、MLPH和myosin Va三元复合物的参与[19]，其中任何一个蛋白的改变，会扰乱黑素小体的分布，影响黑色素的转运。以驱动蛋白超家族为动力马达，黑素小体向着位于周边的微管正端运动；在细胞质动力蛋白的作用下，黑素小体向位于细胞中心的微管负端运动。当黑素小体到达黑素细胞外周时，黑素小体与肌动蛋白微丝相互作用，使黑素小体在树突末梢聚集[10,20]。

虽然通过大量的试验研究，但人们对黑素小体从黑素细胞树突末梢转运到相邻角质细胞的机制知之甚少[21]。目前有关黑素小体转运至角质细胞的机制存在4种假说：一是黑素细胞的树突末梢被角质细胞吞噬；二是基于黑素细胞的胞外分泌；三是黑素细胞质膜和角质细胞质膜融合，使细胞与细胞之间形成一个通道，实现黑素小体的转运；四是黑色素从黑素细胞到角质细胞的转运依赖于膜囊泡的出现[19,22-23]。

2 KIT基因的研究进展

KIT是典型的Ⅲ型酪氨酸蛋白激酶受体家族的重要成员之一，由胞外域、跨膜片段、近膜域和蛋白激酶区域组成[8-9]。KIT及其配体的变异，导致黑色素的生成、造血作用和配子形成障碍[2]。在老鼠、猪和马的研究中，报道了许多KIT基因突变引起的动物被毛的改变，而人类KIT与多种疾病有关。

c-KIT功能获得性突变与人类肿瘤有关，包括睾丸生殖细胞癌、急性骨髓白血病、胃肠道间质瘤和肥大细胞瘤[8,24-25]。斑驳病是常染色体显性遗传病，由于KIT蛋白在第664个氨基酸处发生Gly→Arg的氨基酸替换，使病人皮肤出现斑块和头发毛囊完全缺乏黑素细胞[26]。黑素瘤是严重威胁人类健康的恶性肿瘤，KIT的表达可能与人类恶性黑素瘤的发生有关，其有可能成为治疗黑素瘤的有效靶向分子之一[27]。

对于鼠科动物，KIT信号对黑素细胞的增殖、分化、迁移及存活是必须的[28]。c-KIT基因是老鼠白色斑点(White Spotting ,W)基因座的候选基因，W基因座的突变对胚胎发育和造血作用具有多效性。W基因座的突变使老鼠毛色呈现白色、不育和不同程度贫血[29-30]。KIT基因是引起猪毛色变异的主要基因，表现为显性白、黑斑及白环带，分别由等位基因I、IP、IBe控制[31-32]。猪的显性白是由于皮肤中缺乏黑素细胞，其原因可能与KIT基因的另一转录本密切相关[33]，这与Naohikod[34]等的研究结果不一致。In Cheol Cho等运用全基因组扫描了长白猪和韩国本地猪杂交的毛色遗传，在启动子区、编码区和3′非翻译区检测到了KIT基因的突变和缺失，提出KIT基因可作为猪毛色遗传的候选基因[35]。Marklund等研究表明，KIT基因是马杂毛色(Roan,Rn)和显性花斑性状(Tobiano,To)的一个主要候选基因，KIT基因序列多态与Rn等位基因之间存在显著的连锁不平衡[36]。而马的Sabino表型可能与KIT基因外显子17的跳跃有关[37]。Haase等的研究检测出7个新的KIT基因突变，包括2个移码突变、2个错义突变和3个剪切位点突变，表明马的白色毛呈现出非常重要的等位基因异质性[38]。全基因组关联分析表明，KIT基因和小眼相关转录因子是控制白色毛的主要基因座，KIT或小眼相关转录因子的突变可能会影响马白色毛的分布[39]。

3 MLPH基因的研究进展

MLPH与成熟黑素小体的转运有关，只有黑素小体从黑素细胞转运到周围的角质细胞才能实现黑色素在皮肤和被毛中的着色。成熟黑素小体的转运需要完整的MLPH功能结构域，即外显子F结合域、与Myosin Va结合的卷曲螺旋区域和与Rab27a结合的突触结合蛋白同源结构域[40]。

大量的研究表明，MLPH基因的变异影响动物毛色和羽色的形成。鸟类淡紫色羽的产生是由于真黑素和褐黑素被稀释，而MLPH基因核苷酸的错义突变(C→T)与鸡羽色稀释(淡紫色羽变异)有关[41]，而鹌鹑羽色稀释与MLPH外显子1单碱基对的突变有关[42]。在哺乳动物狗、猫、兔子和水貂中，MLPH基因的突变也出现毛色稀释现象，但MLPH突变形式存在很大的差异。MLPH基因外显子7的突变，可能是杂合子的德国宾莎犬出现毛色稀释的原因，杜宾犬的毛色稀释是由于MLPH基因外显子2周围的单核苷酸多态，说明一个或多个MLPH基因位点的突变与毛色稀释密切相关[43]。随后，Drögemülle等研究表明犬的毛色稀释与MLPH基因外显子1最后一个核苷酸突变(A→G)有关，同时A等位基因突变会降低MLPH基因的剪切效率[44]。Ishida等人在家猫的转录本外显子2上发现了一个单碱基缺失，使其下游的11个氨基酸残基提前出现终止密码子，导致大部分MLPH蛋白被切断，使家猫毛色变淡[45]。兔子毛色变淡是由于MLPH基因内含子2多聚嘧啶序列剪切受体突变，使外显子3和外显子4跳跃，使氨基酸残基提前出现终止密码，产生截短蛋白[46]。Cirera等为培育银灰色、紫色水貂，对MLPH基因进行研究表明，银灰色表型缺失外显子8，导致肌动蛋白结合域的缺失，影响黑素小体的转运及黑色素沉着，而缺失MYO5A结合域是导致水貂产生银灰色稀释表型的主要原因[47]。

综上所述，黑素细胞由成黑素细胞增殖、分化而来，黑素细胞中的黑素小体是合成黑色素的唯一场所，携带黑色素颗粒的成熟黑素小体被转运到相邻的角质细胞，最终调控动物皮肤和被毛的颜色。KIT基因对黑素细胞的存活、迁移和分化具有重要意义，KIT基因的突变使动物的皮肤和被毛颜色改变。MLPH基因在黑素小体的转运过程中发挥重要的调控作用，其变异会使黑素小体转运发生障碍。KIT和MLPH基因在动物皮肤和被毛着色的过程中具有重要作用。

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Research Progress of the Genes KIT and MLPH for Melanin Pigmentation in Animals

LIU Jie1,2LIU Yi2HU-YAN Jing-ke1HE Da-qian2LIU An-fang1

(1.SouthwestUniversity(RongchangCampus),Rongchang,Chongqing402460,China；2.ShanghaiAcademyofAgriculturalSciences,Shanghai201106,China)

The various skin colors and coat colors in animals are related to the type and amount of melanins deposited within the melanosomes. There are many genes participating in melanin deposition, involving KIT, MLPH and others. KIT and MLPH genes play important roles in melanogenesis and melanosome transfer, respectively. Previous studies have shown that mutations of KIT lead to phenotype changes in coat color of animals, while mutations of KIT are associated with human diseases. Variations of MLPH influence the coat colors in animals, resulting in dilution of coat color pigmentation. This paper presents an overview of melanocyte growth and development, melanin biosynthesis and transfer, and the research progress in KIT and MLPH genes in order that it may serve as important references for the study of the mechanisms of melanin deposition and skin, hair and plumage coloration.

KIT gene； MLPH gene； melanin； melanosome

*资助项目：国家现代农业产业技术体系项目(CARS-43-4)。

刘 杰(1991-)，女，硕士，动物遗传育种与繁殖，E-mail：shangluoxi@163.com

刘安芳(1967-)，女，副教授，博士，主要从事家禽遗传育种研究，E-mail：anfangliu@126.com