Slc7a11 基因在黑色素沉积中的研究进展

白少成，靳荣帅，张 琛，姚 凡，陈 阳，吴信生

（扬州大学动物科学与技术学院，江苏扬州 225000）

黑色素分为真黑色素和褐黑色素，这两种色素的比例影响着动物的体表和毛发颜色。一般来说，动物毛色表现出的黑色是通过真黑色素控制，而红色或黄色是缺乏褐黑色素导致的[1]。溶质载体家族7 成员11（Solute carrier family7 member11，Slc7a11）位于细胞膜上，该基因编码胱氨酸/谷氨酸xCT 转运载体，其主要作用是将细胞外的胱氨酸转运到细胞内，使胱氨酸在细胞内被还原为半胱氨酸[2]。褐黑色素是由多巴向半胱氨酸合成的多巴途径产生的，而Slc7a11基因通过影响胱氨酸的转运使细胞内不能摄取足够的胱氨酸还原为半胱氨酸来满足褐黑色素的合成，从而造成动物毛色的改变[3]。目前，多方学者探讨了Slc7a11与动物黑色素沉积之间的关联以及潜在机制，如何军敏等[4]绵羊和羊驼中发现该基因在深色皮肤中的表达量较高；穆琳[5]在研究獭兔皮毛黑色素的沉积中证实了Slc7a11的相对功能；Wang 等[6]发现Slc7a11通过黑色素的生成途径在红罗非鱼的肤色形成和分化起到重要作用。Slc7a11基因是如何调控黑色素合成的途径使动物产生五彩斑斓的颜色，仍有待研究。本文将目前Slc7a11基因在动物体内黑色素沉积机制做一综述，初步分析真黑色素和褐黑色素的合成以及对不同物种毛色形成原因，为探索动物黑色素沉积的分子机制提供新的思路和方法。

1 Slc7a11 基因的结构与功能

Slc7a11 属于溶质转运家族（Solute Carrier Family，SLC）中第二大膜蛋白家族，是溶质转运第7 家族的第11 个成员，位于染色体4q28-q32，CDS 全长1 506 bp（人）和1 509 bp（鼠），编码近500 个氨基酸[7]。该基因负责编码氨基酸转运载体xCT，目前该基因在哺乳动物的研究中多用于黑色素的调控与生成。xCT 是由Slc7a11负责编码的氨基酸组成的转运蛋白，作为胱氨酸/谷氨酸反转运体xc-系统的轻链亚基，在哺乳动物体内扮演一种重要的抗氧化蛋白，主要负责特异性转运胱氨酸或谷氨酸，从而维持细胞内谷胱甘肽（GSH）的水平[8-9]。有研究表明，Slc7a11可增强细胞的抗氧化能力，在氧化应激下通过p53 介导其抑制作用，诱导细胞发生铁中毒[9]。Slc7a11基因通过将细胞外的胱氨酸转运到细胞内，再将细胞内的谷氨酸以相同比例的数量运输到细胞外，以此来维持GSH 在细胞内外的水平，进而维持机体内正常黑色素的水平[10]。在功能上，Slc7a11基因已被证明在细胞增殖、氧化应激反应中起重要作用，从而可以作为用于各种疾病治疗中的重要手段[11-13]。在毛色方面，Slc7a11基因具有调节黑色素细胞中氨基酸的转运功能，从而在黑色素的合成中起重要作用[14-15]。

Slc7a11基因在调控氨基酸的转运过程中发挥重要作用，且在大多数物种中较为保守。何军敏等[4]采集4 种不同被毛颜色的伊犁哈萨克羊皮肤作为样品，运用PCR-SSCP 以及测序技术对Slc7a11基因进行多态性分析，结果在该群体中未发现多态性；Tian 等[16]通过克隆羊驼Slc7a11基因的CDS 序列全长并进行序列比对和系统发育分析显示，羊驼Slc7a11基因CDS 有1 512 bp，转录蛋白包含12 个跨膜区域的高度保守的氨基酸通透酶，并且确定了羊驼xCT 和野骆驼同一性最高并共享相同的分支都是高度保守。Anello 等[17]同样在美洲驼中证实Slc7a11编码具有氨基酸通透酶结构域的高度保守蛋白，并且在其DNA 序列中检测到7 个SNP，其中6 个为同义，1 个非同义，其中非同义SNP 与颜色的表达无关。此外，陈秋燃等[18]运用SNP 技术检测不同被毛颜色獭兔Slc7a11基因的12 个外显子，均没有发现多态性的存在。目前，Slc7a11基因的研究多集中于毛皮动物，其在不同物种间的功能也具有相似性，这进一步说明该基因的编码序列较为保守。

2 Slc7a11 基因调控褐黑素合成的途径

在哺乳动物中，动物被毛颜色的改变受黑色素种类和含量不同的影响。黑色素在哺乳动物体内大致分为两类：一是不含硫原子且主要表现为黑色和棕色的真黑色素，另一种是含硫原子且大多表现为黄/红色的褐黑色素，两者在动物体内的比例和分布特征决定了它们的颜色[19-20]。对于褐黑素的合成途径（图1），是多巴醌因酪氨酸酶（TYR）活性降低而导致其浓度降低，并与大量的GSH 或半胱氨酸结合形成谷胱甘肽多巴，在谷氨酰转肽酶的催化下生成半胱氨酸多巴，从而形成褐黑色素[21]。Slc7a11通过调控胱氨酸/谷氨酸的转运来影响动物毛发中黑色素的沉积，当该基因发生大片段缺失后，其编码的转运蛋白发生改变，使其编码的氨基酸失去转运功能，导致无法平衡细胞内外的GSH 水平，进而直接作用于多巴醌到半胱氨酸的反应阶段来调控褐黑素的合成，最终造成动物毛色的改变[22-24]。

图1 Slc7a11 基因在褐黑素生成过程中的调控机制

3 Slc7a11 在动物体内黑色素沉积过程中的作用机制

Slc7a11基因在调控氨基酸的转运过程中发挥重要作用，其通过为细胞提供半胱氨酸来帮助合成抗氧化剂GSH，从而促进细胞的抗氧化能力[25]。因为GSH 是细胞内主要的抗氧化剂，而半胱氨酸是组成GSH 的3 种氨基酸之一，所以Slc7a11的表达量影响着GSH 的合成和细胞的抗氧化能力[26]。黑色素生成实际上就是一个依赖氧化的过程，在黑色素细胞中，细胞内的半胱氨酸可以进入黑色素小体，并与黑色素合成途径结合，从而降低半胱氨酸对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径也会影响生物体的色素沉着，因为在哺乳动物的毛发或禽类的羽毛等表皮结构中沉积时，褐黑素会表现为橙色和浅黄色[28]。黑色素细胞中的褐黑素合成需要消耗GSH，如果黑色素细胞中的半胱氨酸大量用于合成褐黑素，可能会导致黑色素的颜色强度随着Slc7a11的表达而增加[29]。

3.1Slc7a11基因在黑色素沉积过程中的表达规律 目前，关于Slc7a11基因调控哺乳动物毛发颜色的研究多集中于表达规律的分析。李洪涛等[30]采集2 周龄白色、棕色和黑色哈萨羔羊左肩胛部的皮肤组织，检测到Slc7a11基因在棕色皮肤的表达量最高，其次是黑色皮肤，且这2 种颜色的羔羊与白色羔羊的Slc7a11基因表达量差异极显著，同时检测到xCT 蛋白在哈萨克羊皮肤中的表达量同样在棕色皮肤中最高，该研究表明Slc7a11基因与棕色哈萨克羊的毛色表型显著相关；He 等[31]为评估Slc7a11基因在调节绵羊毛色中的作用，克隆了正常绵羊皮肤成纤维细胞中该基因cDNA 的全长，通过使用睾丸注射转基因方法获得了sxCT-转基因绵羊，并且该绵羊被毛呈现出褐色和黄色的斑点，这表明sxCT可以选择型表达以增加羊毛中褐黑素的产生，从而验证了睾丸注射转基因技术可用于遗传修饰绵羊毛色的猜想。Tian 等[16]以白色和棕色羊驼为实验组，检测这2 种颜色羊驼皮肤组织中mRNA 和xCT 蛋白的表达水平，发现棕色羊驼皮肤组织中的相对表达量显著高于白色羊驼，这与李洪涛[30]在哈萨克羊中的研究结果一致；其次，Tian[16]通过免疫组化分析得出，xCT 转运蛋白的信号分别在毛干、外根鞘、毛囊基质和真皮乳头中被发现，并且在棕色羊驼皮肤中呈现强阳性，在白色羊驼皮肤组织中明显下降，该项研究证实Slc7a11基因对羊驼棕色毛发具有调控作用。除了在羊的种类上有此发现外，穆琳[5]在獭兔中的研究表明Slc7a11基因的表达量在蛋白青色和蛋白黄色的皮肤组织中较高。以上研究表明，Slc7a11对棕色毛发和皮肤的调控具有重要意义，进一步证实该基因在调控褐黑素生成过程中发挥的重要作用。

3.2Slc7a11基因在黑色素沉积过程中的调控机制 在Slc7a11基因调控黑色素沉积机制的研究中，Chintala 等[32]发现小鼠的浅灰色（sut）突变是由Slc7a11基因的缺失导致，xCT 蛋白缺失导致胱氨酸向黑色素细胞的转运减少，进而导致细胞内GSH 水平不足以满足合成褐黑素的需求，阻碍了褐黑素的生成途径，但真黑素没有发生变化，因此小鼠的毛色由黄色变为灰色。Chen 等[33]通过实时PCR 技术检测Slc7a11在不同毛色獭兔背部皮肤中的表达量，发现彩色獭兔皮肤中均有Slc7a11表达，其中以黄色獭兔皮肤中的表达量最高，白色最低，进一步利用定点突变技术、双荧光素酶报告系统和竞争性EMSA 实验，确认POU2F1 蛋白可结合于Slc7a11启动子-731～703 bp 区域调控该基因的启动子活性，进而影响Slc7a11的表达，参与獭兔的黑色素沉积。Yang 等[34]在对獭兔成纤维细胞中Slc7a11基因的过表达和干扰实验，发现当Slc7a11过表达或抑制时，与同样调控黑色素生成的MITF、MC1R、ASIP、CREB1、Slc24A5相关基因的mRNA 和蛋白表达量呈正相关，这表明Slc7a11可以影响獭兔细胞中其他参与调控黑色素沉积的基因。但于Slc7a11基因的作用机制研究还处于起步阶段，作为黑色素沉积的关键基因，其上游调控因子及下游作用于黑色素沉积途径等还有待进一步的挖掘与探究。

4 总结与展望

黑色素在动物体内的沉积对动物毛色的改变起着决定性的作用，所以研究者尝试通过研究黑色素在动物体内的变化来培育出理想的毛色品系，同时也为人类黑色素沉积相关疾病提供重要靶点。Slc7a11基因作为近年来新发现的与黑色素沉积相关的研究热点，它通过调节胱氨酸/ 谷氨酸的转运来维持细胞内外正常的GSH 水平，进而影响动物体内褐黑素的形成，最终表现为动物被毛颜色的改变。目前，关于调控黑色素生成的基因中，Slc7a11基因多集中于毛皮动物毛色的研究，对于其中具体的调控机理还有待发掘。此外，调控黑色素合成的基因之间存在一定的联系，但其中具体的作用机制较为空白，深入解析其具体的作用机制有助于进一步探寻动物体内黑色素沉积的规律及揭示动物毛色形成机理。