家鸡羽色性状遗传调控机制研究进展

吴日富，瞿 浩，严 霞，罗成龙，王 艳，舒鼎铭

(1.广东省农业科学院动物科学研究所，畜禽育种国家重点实验室，广东省畜禽育种与营养研究重点实验室，广州 510640；2.华南农业大学动物科学学院，广州 510642)

鸟类的羽毛颜色是色素研究的重点，它是品种、种群和繁育群体重要的外貌特征，也是一种重要的遗传标记[1-2]。鸟类的羽毛颜色性状呈现出丰富的表型多样性，它在与同伴发生视觉感知和互动中发挥了重要作用，并且可以用来伪装和保护自己[3]。羽毛颜色性状由基因调控，包括调控色素的含量和比例以及色素在单根羽毛中的分布状况等；同一种色素在不同的生理阶段表现出来的表型性状可能也不相同[4]。在鸡育种过程中，选育品种羽色性状的整齐性具有重要意义，全面了解不同羽色性状的遗传调控机制将有助于建立具有显著羽色标识的品种。

近年来，随着测序技术的发展，运用全基因组范围内的遗传变异检测技术(全基因组重测序、转录组测序等)发现了很多与羽色性状相关的基因。作者综述了近年来已经确定基因座的鸡羽色性状的研究进展，全面探讨了鸡羽色的调控机理和不同类型羽毛颜色性状的分子遗传机制，旨在为羽色性状的研究提供参考。

1 影响家鸡羽毛色素形成的调控通路

家鸡不同羽毛颜色是化学和光学两个相互关联的物理过程的结果，由这两个过程形成了羽色的色素和结构颜色[5]。研究表明，黑色素和类胡萝卜素是形成鸡羽毛颜色的两类主要色素，其中类胡萝卜素需要从外界摄取，而黑色素可以自身合成。黑色素分为真黑素和褐黑素，二者都是酪氨酸衍生物，其中真黑素使羽毛呈现黑色和深棕色，褐黑素使羽毛呈现红色和黄色[6]。一般来讲，家鸡不同羽毛颜色主要是由于真黑素和褐黑素在羽毛中的数量、比例和分布位置的不同而形成的[6]。羽毛的黑色素是在毛囊黑素细胞的黑素小体中合成的，黑色素的合成过程受多个通路和多种因子的调控。作者根据已有文献对家鸡羽色性状形成相关的黑色素调控通路进行了总结(图1)。由图1可知，Wnt信号通路可以通过淋巴细胞增强因子(lymphoid enhancer factor 1,LEF1)增强小眼畸形转录因子(melanogenesis associated transcription factor,MITF)的表达，进而影响黑素母细胞的增殖分化，最终影响黑色素的合成[7]。KIT/KITL信号通路对黑素母细胞的生存十分重要，原癌基因(KIT proto-oncogene,KIT)与其受体KITL结合后通过丝裂原活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinase,MAPK)激活MITF的功能，随后通过调控酪氨酸酶(tyrosinase,TYR)和酪氨酸酶相关蛋白1(tyrosinase related protein 1,TYRP1)、多巴色素互变异构酶(dopachrome delta-isomerase,DCT)进而影响黑色素的合成。此外KIT与MITF存在复杂的相互作用，二者共同调节黑素细胞的发育，其中MITF促进黑素母细胞分化成黑素细胞，随后通过KIT来维持黑素细胞的存活与迁移[8]。EDN3/EDNRB信号通路在黑素细胞的发育中起着重要的作用，内皮素3(endothelin 3,EDN3)与其受体EDNRB结合后使蛋白激酶(protein kinase C lambda,PKC)磷酸化激活MAPK，进一步促进了下游的黑色素合成途径。EDN3和EDNRB发生遗传突变均会导致黑素细胞前体细胞数量的减少和色素的稀释[9-10]。

，促进；---→，抑制，Promote；---→，inhibition图1 家鸡羽色形成机制及黑色素调控通路Fig.1 The formation mechanism of domestic chicken feather color and the regulation pathway of melanin

α-MSH/ASIP-MC1R调控通路与黑色素合成分泌紧密相关[11-12]。黑素皮质素受体1基因(melanocortin 1-receptor,MC1R)主要在黑素细胞中表达，当α-促黑色素细胞激素(α-melanocyte-stimulating hormone,α-MSH)与MC1R结合后，促进环腺苷酸(cyclic adenosine monophosaphate,cAMP)的释放，随后cAMP与其反应元件(cAMP response element,CRE)及效应元件结合蛋白(cAMP response element-binding protein,CREB)三者共同结合进而上调MITF基因的表达，最后激活酪氨酸家族TYR、TYRP1、DCT的特异性表达。从而使得细胞内的酪氨酸氧化生成多巴，而多巴进一步氧化变成多巴醌。当TYR活性较高时，多巴醌会进一步变化生成真黑素，当TYR活性较低时，多巴醌会在半胱氨酸的作用下形成褐黑素。此外，刺鼠信号蛋白(Agouti signaling protein,ASIP)是MC1R的抑制因子，它会和α-MSH竞争与MC1R的结合，通过抑制TYR的表达从而阻碍真黑素的形成，最终形成褐黑素[13]。性别决定区盒基因(SRY-box 10,SOX10)是黑素细胞的重要转录因子，它的表达下调可以导致酪氨酸家族的表达下降进而造成真黑素的合成减少[14]。溶质载体45家族第2成员(solute carrier family 45 member 2,SLC45A2)是维持黑素小体内环境稳定的因子，其突变会导致黑色素的合成受到限制[15]。前黑素体蛋白(pre-melanosome protein 17,PMEL17)对维持黑素小体的形态和正常发育非常重要，常见的突变会导致真黑素的强烈稀释[16-17]。亲黑素蛋白(melanophilin,MLPH)负责转运黑素小体到邻近的角质细胞中进行色素沉积，因此它的突变也会导致色素的稀释[18]。综上所述，编码这些调控因子的基因是家鸡羽色形成的分子遗传修饰基因，它们在黑素细胞的生长发育和黑色素合成中发挥重要的作用，这些基因遗传结构突变会改变其表达水平，进而影响黑素细胞的存活、黑色素的生物合成及类型。因此其中任何一个基因发生结构变异都有可能改变羽色的形成。

另外，由细胞周期依赖性激酶基因(cyclin dependent kinase inhibitor 2A,CDKN2A)编码的肿瘤抑制蛋白(ARF)可以通过与MDM2结合来抑制MDM2对P53的降解作用，保护P53免于降解。P53是一种控制细胞周期启动的因子，可激活下游靶点，导致黑素细胞过早分化[19-21]。

鸟类的类胡萝卜素着色的表达涉及4个不同的生理步骤：肠道摄取、循环和运输、肝脏中的代谢以及在组织中的沉积。据报道，摄取类胡萝卜素后的金丝雀其羽毛是黄色的，但在一些酶促反应和基因突变的作用下会产生其他类型的羽色性状[22-24]。有关类胡萝卜素消化、吸收、沉积与鸡羽色性状相关联的研究目前仍鲜有报道。

2 家鸡不同羽色性状调控基因座

家鸡羽毛颜色受众多基因座调控，目前研究已发现的各基因座遗传基础见表1。

表1 影响家鸡羽色性状的基因位点

2.1 决定真黑素和褐黑素分布的基因座

家鸡羽色性状中的黑羽和麻羽由E基因座调控，该基因座由MC1R基因编码，通过调控酪氨酸酶的活性来影响真黑素和褐黑素的合成[35-36]。Smyth等[37]在1990年指出E基因座上不同等位基因的突变位点的显隐关系为E>ER>ewh>e+>eb>ebc>ey。直到2003年，Kerje等[25]通过连锁分析发现E基因座与位于鸡11号染色体的MC1R基因高度显著关联，证明了调控E基因座的编码基因是MC1R基因；通过对MC1R基因仅有的1个外显子进行序列分析发现，不同等位基因含有不同的单核苷酸多态性(SNP)位点，其中G274A突变位点最有可能促进真黑素的合成，其中E等位基因为黑羽，野生型为麻羽。Dávila等[38]的研究也为G274A突变位点可促进真黑素的形成并有助于黑羽形成的结论提供了证据。前人研究描述了E基因座上不同等位基因的羽色表型(图2A)[39]。近年来有很多研究者开展国外和中国地方鸡品种MC1R基因遗传变异与羽色性状相关性的研究，Kabir等[40]通过对30个日本鸡品种和8个非日本鸡品种不同羽色类别进行MC1R基因SNP检测，发现A427G和G274A突变位点分别有助于棕色和黑色羽毛颜色的形成，但在A644C突变位点的抑制作用下，等位基因虽然存在G274A突变，但不表达黑色羽毛。在中国地方鸡品种的研究中，多个研究指出中国黑色羽地方鸡品种都在MC1R基因上同时存在T212C、G274A 2个突变位点，但未检测到A644C突变位点，这3个变异位点等位基因均可通过酶切方法进行检测，3个位点组合的单倍型(CAA)可以作为中国黑色羽地方鸡品种的遗传分子标记[41-42]。母鸡的麻羽性状可以分为黄麻、红麻和灰麻等类型[43]，Guo等[44]对母鸡灰麻和黄麻羽色性状研究发现，在MC1R基因上共有11个SNPs，其中8个为非同义突变，通过单倍型分析进而对羽色进行选择。虽然MC1R基因不能完全解释复杂的羽色表型，但了解它的功能和突变有助于为复杂的羽色性状提供思路和参考。

2.2 抑制色素沉着的基因座

2.2.1 I基因座 以白莱航鸡为代表的显性白羽性状是由基因座I调控的，它包括了野生型(I*N)、显性白羽(I*I)、烟灰色羽(I*S)(图2B)和暗褐色羽(I*D)4种等位基因。2004年，Kerje等[26]利用红色原鸡与白莱航鸡的杂交群体进行连锁分析发现，PMEL17基因与显性白羽基因座显著关联，证实了PMEL17基因为显性白羽基因座的编码基因，该基因位于鸡的33号染色体上，显性白羽的形成是由于PMEL17基因外显子10上插入了9 bp片段，进而导致跨膜区增加了3个氨基酸；烟灰色羽的形成不仅是在该基因外显子10上插入了9 bp片段，且在外显子6上有12 bp缺失，导致失去了4个氨基酸，携带I*S等位基因时，鸡羽色恢复部分色素，表现为烟灰色；暗褐色羽的形成是由于在该基因的跨膜区缺失了15 bp片段导致缺失了5个氨基酸，I*D抑制真黑素的表达，羽色表现为褐色[45]。PMEL17基因编码的前黑素体蛋白首先在内质网中合成，经过高尔基体和高尔基体网状结构加工修饰后进入黑素小体，对维持黑素小体的形态和发育非常重要，基因结构变异会导致真黑素的合成受到抑制[16-17]。

A，E基因座不同等位基因的羽色卡通示意图(e+、eb、ewh和ey的公鸡均为黑胸红背；ER公鸡与野生型的区别为它的飞羽为黑色，而不是半红半黑；ER母鸡身体为黑色羽毛，颈部为金黄色羽毛；E公鸡和母鸡全身都为黑羽；e+母鸡的胸部为橙色羽，背部为带棕色麻点的羽毛；eb母鸡的胸部和背部都是带有棕色麻点的羽毛；ewh和ey母鸡全身都为橙黄色)[39]；B、C、D、E和F，分别为I基因座[26]、C基因座[28]、S基因座[29]、DB基因座[30]和LAV基因座[31]不同等位基因的羽色性状；G，MO基因座控制的野生型和非依赖酪氨酸酶隐性白羽[32]；H，MO基因座控制的黑色和黄色背景下的斑点羽[32]；I，经典的性连锁横斑羽(芦花羽)[34]A,The feather colored cartoons of different alleles of the E locus (males that are e+,eb,ewh or eyall have the black-breasted red feather pattern.ER males are different in the wings,the flight feathers are all black in stead of the half-red half-black feathers of the wild type alleles.ER females have black bodies and gold hackle feathers.Males and females with E alleles are all black feather.e+ females have brown stippled backs and salmon breasts,where the eb females have brown stippled backs and brown stippled breasts.Both ewh and ey females are all orange-yellow)[39];B,C,D,E and F,The feather color traits of different alleles at I[26],C[28],S[29],DB[30] and LAV locus[31],respectively;G,Wild-type and tyrosinase-independent recessive white feathers controlled by MO locus[32];H,Mottled feather on black and yellow background controlled by MO locus[32];I,The iconic sex-linked barring feather (Lu Hua feather)[34]图2 家鸡不同等位基因调控的羽色性状Fig.2 Feather color traits regulated by different alleles of domestic chickens

2.2.2 C基因座 隐性白羽和常染色体白化性状由C基因座调控，该基因座共含有4种等位基因，分别为野生型(C*N)、隐性白羽(C*C)(图2C)、红眼白羽(C*RE)和常染色体白化(C*A)。除野生型外，其余3种等位基因的羽毛颜色均为白色，唯一的区别是携带这3种等位基因家鸡个体的眼睛存在不同程度灰色和红色[46]。1985年Oetting等[47]研究指出，C基因座为酪氨酸酶的结合位点，证实了编码酪氨酸酶的TYR基因是C基因座的编码基因。21世纪初，Tobita-Teramoto等[27]研究表明，常染色体白化的致因突变是TYR基因上第817 bp处缺失了6 bp(-ΔGACTGG)，导致失去了天冬氨酸、色氨酸2个氨基酸，而这2种氨基酸正好是铜离子的结合位点，最终导致酪氨酸酶不能与铜离子结合进而降低酶活性。鸡的隐性白羽性状遗传机制是在2006年Chang等[28]研究中发现的，该研究指出TYR基因内含子4中插入了7.7 kb完整的禽白血病家族的逆转录病毒核苷酸序列，该插入导致TYR基因的mRNA翻译异常，表达受到抑制，最终导致真黑素的合成受到抑制[48]。

2.2.3 S基因座 家鸡的金色和银色羽毛是由性染色体Z上的S基因座决定的[49]。S基因座包括一系列等位基因，不同等位基因间的显隐性关系为：S*S(银色)>S*N(野生型/金色)>S*AL(性连锁不完全白化)(图2D)。2007年，Gunnarsson等[29]运用连锁图谱分析定位发现了候选基因SLC45A2上的2个错义突变Tyr277Cys、Leu347Met和1个缺失突变——106delT，与S基因座控制的羽毛颜色性状存在明显关联。造成S基因座上不同的羽毛颜色性状的原因各异，其中SLC45A2基因第3外显子的错义突变Tyr277Cys只与白莱航鸡的白色羽毛相关，而在其他所有表现为银羽的鸡中都发现了外显子4上的错义突变Leu347Met；此外，性连锁白化S*AL是由于该基因外显子1上的缺失突变(-106delT)形成的，该缺失突变导致mRNA翻译终止密码子提前，相应的mRNA表达减少。SLC45A2基因编码的蛋白负责维持黑素小体内环境中和，以支持黑素小体成熟后期的黑化，常见的等位基因突变会稀释黑色素[15,29]。

2.3 降低色素沉着强度的基因座

2.3.1 DB基因座 携带深棕色基因座(dark brown,DB)位点的家鸡存在真黑素的表达抑制，并且具有类似黑尾红背的羽毛颜色分布[37]。DB基因座位点首先在Fayoumi鸡常染色体中被发现，最初被定义为野生型DB*N和深棕色羽色DB*DB 2个等位基因[50]。Bitgood等[51]把DB位点定位在鸡的1号染色体上。2011年，Gunnarsson等[30]研究指出，深棕色胸羽DB表型是由位于1号染色体上的SOX10基因上游14 kb中的8.3 kb缺失造成的，SOX10基因是黑素细胞和其他一些细胞类型中的重要转录因子。这一缺失突变导致SOX10基因表达下降，进而降低TYR的表达，导致合成更多的褐黑素，进而使羽毛颜色转变[14]。这使得雄性的胸部由黑色变为深棕色(图2E)，雌性全身都变为橙黄色。

2.3.2 LAV基因座 LAV基因座存在2个等位基因，分别为LAV*N和LAV*L，其中LAV*N为野生型，LAV*L为淡紫色羽(灰羽)(图2F)。Brumbaugh等[52]在1972年首次发现淡紫色羽(灰羽)，直到2008年Vaez等[31]通过正交试验发现了MLPH基因的1个SNP可以稀释E基因座所控制的色素，重测序结果表明在MLPH基因编码区存在1个非同义突变C103T(R35W)，携带此突变个体的羽毛颜色会被稀释为淡紫色(灰色)。MLPH基因编码的蛋白是黑素小体转运所必需的，它的突变使得黑素细胞中成熟的黑素小体不能正常转运到附近的角质细胞中进行色素沉积，进而造成色素稀释[18,31]。Xu等[53]以安义瓦灰鸡为例也证实了灰羽与该基因突变相关。

2.4 影响羽毛颜色图案形成的基因座

2.4.1 MO基因座 MO基因座为常染色体隐性遗传，其包含的3个等位基因分别形成不同的羽色性状，其中MO*N为野生型,MO*W为非依赖酪氨酸酶的隐性白羽，MO*MO为斑点羽。Kinoshita等[32]通过杂交试验发现内皮素受体B2基因(endothelin receptor b2,EDNRB2)为MO基因座的效应基因，并通过对EDNRB2基因编码区的测序分析发现非同义替换G1008T(Cys244Phe)、G1272A(Arg332His)分别是MO*W和MO*MO等位基因的致因突变。EDNRB2是鸟类正常色素形成过程中必不可少的，EDNRB2基因突变可能导致该基因编码的蛋白与内皮素结合缺陷，从而干扰黑素细胞的增殖分化和迁移。其中MO*W等位基因调控非依赖酪氨酸酶的白色羽性状，并伴有一些部分着色的羽毛(图2G)，等位基因MO*MO控制的斑点羽在家鸡的羽毛中表现为主要遗传背景羽色并带有白色斑点(图2H)。

2.4.2 B基因座 横斑羽色表型有2种遗传调控模式，分别为性连锁横斑羽(芦花羽)和常染色体横斑羽。其中性连锁横斑羽为B基因座控制的遗传模式，而常染色体横斑羽则被认为是DB基因座、E基因座和模式(Patterning,PG)基因座多个等位基因共同作用的结果[37,54-55]。Dorshorst等[56]把B基因座定位到Z染色体上，2010年，Hellström等[33]通过测序技术确定CDKN2A为B基因座的编码基因，并且在CDKN2A基因上发现2个非编码突变、2个错义突变V9D和R10C(均位于外显子1上)。2017年，Schwochow等[34]研究证实，鸡的性连锁横斑羽色与影响CDKN2A基因位点的2个非编码突变和2个编码突变V9D、R10C有关。其中2个非编码突变构成B*B0等位基因，表现为强稀释横斑羽色表型，B*B1等位基因由2个非编码突变和V9D错义突变共同构成，羽色表现为经典的横斑羽(图2I)，而B*B2等位基因则由2个非编码突变和R10C错义突变构成，形成弱稀释的横斑羽。该试验结果表明2个非编码突变导致CDKN2A基因表达上调，其编码的蛋白ARF也相应上调，进而导致黑素细胞的过早分化，最终使毛囊内缺乏能够补充产生色素的未分化黑素细胞；随着羽毛的不断生长，没有更多的黑色素细胞可用来产生色素，从而形成白色条纹。2个错义突变都能抵消ARF表达上调造成的影响，而V9D突变相对于R10C突变更能抑制ARF的表达上调，因此造成不同的横斑羽色表型。

3 鸡羽色遗传的调控模型—图灵模型

图灵模型(Turing pattern)也叫反应扩散模型，最初由图灵提出[57]，并由其他人进一步扩展[58]。其原理是短程可扩散激活因子与长程可扩散抑制因子相结合，激活因子促进其自身的表达和抑制因子的表达，抑制因子比激活因子更快地扩散到邻近细胞并抑制激活因子的功能，从而形成重复的斑点或条纹图案。生物体中斑点模式的形成通常可由图灵模型或与其相关的模型解释。如在皮肤图案的研究中，斑马鱼皮肤条纹是由满足图灵模型要求的色素细胞相互作用形成的[59]。在植物花瓣色素图案中，Yuan等[60]和Ding等[61]通过研究证实了图灵模型可以解释Mimulus花瓣中色素斑点的分子遗传机制，分别找到激活因子和抑制因子，并且通过基因敲除改变激活因子和抑制因子，进而验证了图灵模型可以解释色素在花瓣中表达形成的斑图。在鸟类羽色图案中，基于图灵模型的数学建模可以模拟真实羽毛色素图案的各种色素图案[62]；Schwochow等[63]对鸡常染色体横斑羽色性状研究发现，MC1R基因编码区L133Q突变是该群体中最有可能导致常染色体色素沉积障碍的原因，并且在毛囊中存在ASIP基因的表达，推测MC1R基因及其颉颃剂ASIP基因可能在图灵反应扩散模型中作为激活剂和抑制剂，在鸟类羽毛色素沉积模式中起着关键作用。此外，对日本鹌鹑背部羽毛色素条纹的研究发现，在真皮细胞中表达的ASIP基因与黑素细胞相互作用可以影响色素条纹出现[64]。而且ASIP基因在毛囊中不同位置的表达也会造成羽色图案的改变[65-66]。这些研究都为ASIP基因在调控羽色图案的图灵模型中扮演抑制因子提供了关键证据。

虽然目前还没有更多的证据进一步确定鸡羽色图案调控机制中由哪些因子扮演激活因子和抑制因子，但图灵模型为自然界观察到的图案多样性提供了解释，该模型描述了在组织中不同扩散的形态原之间的相互作用如何引起上皮附属物的自主图案化[67]。综上，图灵模型在生物的进化和形态发育的研究中具有引导性的作用；未来随着科学技术的进步，在鸡羽毛颜色性状的研究中以图灵模型为指导，将会对羽毛色素图案分布的分子遗传和调控机制产生新的认识。

4 小结与展望

鸟类羽毛颜色性状是影响鸟类之间识别和交流的一个关键因素。在家禽中，羽毛颜色可以影响外观质量，是品种、种群和繁育群体识别的标志。鸡的周期性色素图案包括斑点、条纹等，可以构成宏观上全身的图案，也可以是微观上单根羽毛内的图案。条纹可以是纵向的，也可以是横向的。图灵模型可以解释生物进化和形态的变化，这为家鸡羽毛颜色图案的形成和分布提供了认知理论基础，可为鸡羽毛性状的研究提供新的视角。

作者综述了鸡羽毛颜色性状的分子遗传机制，并系统地论述了不同类型羽色的分子遗传机制。目前，尽管对鸡的基因组有了比较详细的研究，但影响鸡羽毛颜色形成的遗传机制仍然不是很清楚，需要继续深入研究。如家鸡的麻羽羽色可根据颜色深浅细分为黄麻、棕麻、褐麻等，虽然目前已知麻羽性状由E基因座中多个等位基因共同调控，且MC1R基因与其他控制羽色的基因存在相互作用，但影响不同类型麻羽性状的遗传机制仍不清楚，在育种实践中也不能通过分子标记辅助选择进行选种。在微观角度上，不同羽色性状单根羽毛的斑点和条纹也不一样[55,63](表3)。研究者从黑素细胞的生长发育、分化、迁移，以及真皮细胞表达ASIP等方面对一些羽毛图案进行研究，证明了黑素细胞和真皮细胞在羽毛图案化过程中具有重要的作用[66]。最近关于黑变(melanotic，ML)基因座的研究表明，影响GJA5转录的顺式作用突变是鸡羽内黑色素模式的基础[68]；而哥伦比亚(Columbian，CO)、PG等基因座被预测与E和DB基因座联合调控羽毛图案，但至今还没发现这些基因座的编码基因[37,55]。综上，深入分析黑素细胞的增殖、迁移和分化，以及它们和再生羽毛毛囊内邻近组织细胞的相互作用将有助于辨别色素图案背后的细胞机制[69]。全基因组测序、转录组测序等现代分子生物技术的发展将使人们能够从家禽和鸟类中发现更多与羽毛色素图案形成相关的新基因及新的分子机制。基于图灵模型和产生色素图案的实际生物过程进行数学建模，模拟真实羽毛色素图案等方面的研究，将会促进对羽色性状的形成、发展、再生和进化的理解[70]。

表3 鸡羽毛中不同类型的色素沉着调控模式[55,63]