MITF基因对家畜色素沉积性状影响的研究进展

孙晓燕，赵金红

(1.重庆市畜牧科学院，重庆 402460；2.重庆市山羊工程技术研究中心，重庆 402460)

1 概述

黑色素合成对生物体抵抗紫外线照射和其他外部压力至关重要，种类、含量及分布决定了动物的不同色素沉积表型。这些表型不仅代表了动物重要的天然外貌特征与生态多样性，也为遗传育种提供潜在的辅助标记，而一些家畜的毛色与体色特征本身即具有重要经济价值。黑色素是以酪氨酸为底物，在黑色素细胞的特定细胞器——黑素小体中，受多种转录因子、结构蛋白和酶的精细调控协作处理，经过一系列自分泌和旁分泌信号交互级联事件后形成的。这一过程受遗传途径和环境因素的共同影响，其中所涉及的相关基因的突变均可影响动物的着色表型。小眼畸形相关转录因子(microphthalmia-associtated transcription factor，MITF)是在黑色素形成路径中起关键作用的一个转录因子，并且贯穿黑色素细胞发育、增殖和存活的始终[1]。MITF基因通过选择性使用不同的启动子，至少可编码产生9种蛋白异构体，其中，最短的MITF-M为黑色素细胞特异型[2]。MITF基因不仅在MC1R/cAMP/MITF这一经典的黑色素合成通路中发挥核心作用，也参与了几乎其他所有与黑色素生成有关的信号通路[3]。MITF基因活性与表达水平的异常与动物皮肤的疾病，如恶性黑色素瘤、皮肤脱色性疾病等有关，而皮肤系统在动物体内平衡中起着重要的作用。因此，深入研究家畜色素沉积的遗传途径不仅具有重要的经济意义，还对动物与人类色素疾病发生的遗传机制、诊断、预后和治疗至关重要。

2 MITF基因对家畜色素沉积性状的影响

2.1 MITF基因对猪色素沉积性状的影响

MITF基因被认为是中国多个家猪品种(巴马香猪、宁乡猪、五指山猪)白色斑点模式的一个强有力的候选基因[4]，全基因组分析揭示了MITF基因参与了桐城猪“两头黑”这一性状的形成[5]。Chen等在“荣昌猪遗传性听力缺陷家系”的MITF基因的非调控区域发现了仅对一个MITF-M亚型产生影响的突变，它产生了一种新的沉默子，MITF-M亚型表达的消除导致了猪耳蜗血管纹中间细胞的早期退化和深度听力损失，以及色素脱失，其病理表现和发病规律类似人类Waardenburg综合征(Waardenburg Syndrome，WS)的典型表型，提示这可能是一种新的在哺乳动物体内产生系统功能效应的顺式调控元件[6]。Du的研究同样发现MITF突变可导致猪的WS[7]。张廷焕等明确了猪MITF基因3个重要的转录调控区域，及转录因子KLF4对其转录活性的调控关系[4]。Bourneuf等对猪MITF可变转录本进行了特征描述，虽然未揭示其与多种黑素瘤相关性状存在显著关联，但值得注意的是，在猪黑色素瘤样本中，MITF异构体的比率遵循其在人类肿瘤中相同的模式，因而推测不排除它在猪的黑色素瘤的发生和演变中发挥潜在显著作用的可能[8]。合适的动物模型对于更好地解析复杂疾病的发病机制并确定治疗方案至关重要，Waardenburg综合征2型(Waardenburg Syndrome type 2，WS2A)在MITF突变的小鼠模型中的隐性模式传播限制了对相关病理表型的研究，而猪在解剖、代谢和生理方面与人类更为相似，这突出了猪作为人类黑色素瘤模型的充分性。在过去几十年间也一直有几种不同的模型猪被维持，如Hai等通过乙基亚硝基脲诱变将MITF基因DNA结合区域的氨基酸进行替换，生成了一个新的WS2A小型猪模型[9]，所筛选出的MITF基因纯合突变体猪也可作为研究色素疾病、眼发育缺陷、听觉损失和神经退行性疾病等复杂疾病的理想大型哺乳动物模型。目前，已有利用CRISPR/Cas9修复MITF突变导致的猪眼睛发育缺陷的报道[10]。

2.2 MITF基因对牛色素沉积性状的影响

白化病可导致家畜的外貌不符合品种标准，并可能由于缺乏保护性黑色素而更易受到紫外线伤害，因此在畜牧生产中被广泛认为是一种不利的特征。在多个纯种和杂交牛品种中均有完全或部分白化病的报道。德国弗莱维赫牛中被确定了一种与皮肤色素减退、虹膜异色、眼组织缺损和双侧听力丧失相关的显性遗传综合征，与人类中的WS2A对应，位于MITF蛋白高度保守碱性区域内的错义突变(R210I)被确认为该综合征的原因[11]。在棕色瑞士牛中，MITF基因的5′UTR的变异(rs722765315)被认为是白色斑点表型最有可能的原因[12]。Wiedemar等发现牛基因组22号染色体上，包括了MITF基因在内的一个19MB的从头缺失导致了一头荷斯坦牛的小眼球症和皮肤色素缺失[13]。张建一等发现牦牛黑色被毛的皮肤组织中的MITF表达量极显著高于白色被毛[14]。MITF基因的变异也解释了意大利的荷斯坦牛和西蒙塔尔牛的斑点和非斑点两种表型之间的差异，但该基因的变异不是决定这两个牛品种斑点病的唯一遗传因素[15]。MITF基因及其与其他基因的互作还在确定埃萨俄比亚的Begait和Fogera牛种群中的斑点表型模式中发挥了作用[16]。一项对荷斯坦牛的全基因组关联研究发现包括MITF在内的6个基因有望作为检测2个色素沉积性状(躯体黑色比例、乳头颜色)的候选基因[17]。Jivanji等通过对混合品种与性别的大数量群体牛进行了大规模的基因绘图研究，结果提示存在涉及KIT和其他基因的多个或多等位高度显著数量性状位点(QTL)，该发现扩展了之前关于牛MITF变异对皮肤色素沉积影响的研究内容，提出了MITF和其他毛色相关基因候选致病突变之间的新关联[18]。这些研究说明黑色素的形成涉及大量基因的参与和复杂的生化过程，牛出现白化表型的原因不能追溯到某个单一基因[19]。至今已有包括MITF基因和其他基因的突变被报道与牛的白化病或类似白化病的表型有关，因此，还需要更多相关表型的动物样本与技术手段来阐明这些基因是否单个或多者结合才是真正的致因突变。

2.3 MITF基因对马色素沉积性状的影响

马的白色斑点表型在一些品种中受到高度重视，与经济价值直接相关，斑点表型变化范围可从很小的白色斑点到完全的白色。已有的研究证实MITF、EDNRB、KIT、PAX3和TRPM1基因代表了马白色斑点表型的一部分已知候选基因[20]。Haase等报道KIT和MITF位点的一系列单倍型突变的积累是Franches-Montagnes马白斑的主要决定因素[21]。Hauswirth等同样发现MITF和PAX3的突变导致美国夸特马的“溅白”色和其他白色斑点表型，并伴随部分个体耳聋，这些“溅白”色的马在MITF基因黑素细胞特异性启动子中有一个10 bp的插入变异，除了“溅白”毛色的夸特马中，这一启动子插入变异还存在于其他品种的“溅白”毛色马中，并且在具有白色斑点表型的其他品种马的MITF基因中还发现了另外两个非同义突变；MITF和PAX3基因的几个独立突变，加上之前已报道的EDNRB和KIT基因的变异，共同解释了在更大范围具有更极端白色斑点的马的表型[22]。Negro等报道KIT和MITF基因的变异与西班牙Menorca纯种马(纯色)和西班牙纯种马(具有不同毛色表型)的白色斑纹模式有关[23]。Henkel等在一个美国花马家族分离出了具有白色斑点和蓝色眼睛表型的个体，且其中部分个体耳聋，全基因组测序显示白色斑点马的MITF基因存在一个横跨外显子6～9的63 407 bp的大片段杂合子缺失，该结构变异与色素脱失和耳聋风险增加的综合征表型非常吻合，并与人类WS2A相对应[24]。新疆哈萨克马具有独特的斑点毛色表型，其中3种表型(白斑点骝毛马、白斑点栗毛马、青毛马)的骝毛、栗毛的形成与MITF基因的表达量存在相关性，而其他斑点类型可能与其他调控基因有关[25]。由于马斑点表型多变，缺乏规律性，关于马毛色调控的遗传机制仍未解析。已有的研究表明，MITF基因与其他毛色基因的复杂协同作用对马各种斑点表型的调控机理有待进一步深入挖掘。

2.4 MITF基因对绵羊和山羊色素沉积性状的影响

羊的毛色和花纹是具有重要生物学、经济和社会意义的重要特征之一。在藏羊中的研究表明，MITF基因可能与藏羊眼圈周围黑色被毛和颈部棕黑色被毛有关[26]。杨玉静等通过体外实验证明绵羊黑素细胞中过表达MITF可提高黑色素的生成量[27]。Saravanaperumal等总结了7个MITF可变剪接体在美利奴绵羊皮肤中的表达情况，证明MITF基因的表达是通过一个内含子6剪接事件介导的[28]。MITF基因还可受到G蛋白偶联受体143(GPR143)、可溶性鸟苷酸环化酶(sGC)的调控，参与绵羊被毛颜色的形成[29-30]。许冬梅等的研究表明MITF mRNA的3'UTR可受到miR-186-5p的靶向，MITF的表达和翻译受到抑制，从而降低绵羊黑素细胞内黑色素的生成[31]。Li等在芬兰绵羊群体中的全基因组扫描研究表明，MITF基因是绵羊毛色性状的潜在候选位点[32]。任航行等对不同肤色山羊皮肤组织的表达量分析显示，MITF基因表达量无显著差异，提示MITF基因在山羊身体着色机制中的作用有待于进一步研究[33]。此外，Jin等和Edea等开展的基因组选择特征分析表明，MITF基因可能在那曲藏山羊和埃塞俄比亚绵羊群体的高海拔适应中起着重要的作用，这也为绵羊和山羊种质资源的保护和利用提供了新的理论基础[34-35]。以上研究对MITF基因影响绵羊和山羊着色特征的遗传机制尚未完全阐明，仍有待于进一步深入研究。

2.5 MITF基因对羊驼色素沉积性状的影响

羊驼是一种毛用偶蹄哺乳家畜，具有多种毛色表型，可为毛纺织业提供重要的原材料。体外实验证明MITF的磷酸化能够促进羊驼皮肤黑素细胞黑色素形成[36]。另外，MITF基因可受到多种miRNA，如miRNA-25、miR508-3p、miRNA-96-5p、miR-380-3p、miR-143-5p的靶向，从而调控羊驼的色素沉着[37-42]。Wang等研究显示MITF表达量还受到FGF21基因通过ERK1/2通路介导，从而影响羊驼黑素细胞的黑色素形成[43]。Anello等对白色和有着色的美洲羊驼的研究表明，MITF-M的表达水平在不同毛色表型的美洲羊驼上存在显著差异，并且MITF-M表达的下调参与了美洲羊驼白色表型的产生，但导致白色皮毛颜色的原因仍有待进一步阐明[44]。

2.6 MITF基因对兔色素沉积性状的影响

何孟颉等对5个不同毛色表型的兔群体研究表明，MITF基因的表达可能影响獭兔皮肤和被毛的颜色[45]。牛晓艳等报道MITF基因的外显子1、5、7中发现一些多态性与獭兔毛色有显著关联，是影响其毛色的关键基因[46]。Hu等研究发现不同毛色獭兔皮肤中黑色素含量及毛色表型基本一致，且MITF基因在黑色皮肤组织中的表达水平最高，表明与黑色素的形成有关[47]。MITF基因还可能受到SLC7A11基因的敲低和POU2F1基因异常表达的影响，从而影响兔的色素沉着[48-49]。王曼曼鉴定了家兔MITF基因的6种剪接异构体(MITFX1-X6)并分别转染到永生化兔黑色素细胞中，发现均显著增加了黑色素细胞中总黑色素和真黑色素含量[50]，说明剪接异构体并未影响MITF基因在兔黑色素细胞中的表达，但不同异构体的下游信号通路存在着差异。黄燕平等报道了MITF基因在不同颜色獭兔(黑色、青蓝紫色、白色)中的表达量水平差异极显著，暗示MITF基因参与了獭兔毛色的形成[51]。已有的研究结果拓展了MITF基因在兔色素沉积中的作用，为后续深入解析兔色素沉积的遗传机理提供了理论基础。

3 结语

迄今已有超过150个基因在细胞或者亚细胞水平上被确认参与调节黑色素细胞发育和黑素形成的不同途径，提示转录后黑色素生成和着色基因表达调控机制的复杂性[52]。家畜群体产生的大量的自发突变体为解析MITF基因对黑素细胞的迁移、增殖、分化和生存提供了便利，研究结果拓展了家畜色素沉积机制的调控网络，也为开展选育符合市场需求色彩特征的家畜提供了重要参考。这些研究结果既对现有的动物色素沉着机制提供理论补充，也为在治疗动物色素相关疾病的研究中寻找药物的作用靶点提供新线索，但同时也仍需进一步开展MITF基因与其他遗传因子的交叉调控网络的研究。另外，在人类中因患者数量少和难以建立针对严重显性疾病的动物模型，对相关散发性综合征的临床病理和分子特征的研究受到一定阻碍，色素沉积有关疾病如黑色素瘤发生的机制目前尚未完全解析。而一些家畜(猪、牛、马)中也可见相似特征的散发性综合征，有望在后基因组时代为深入探索人类临床病例的遗传病因及相关分子机制提供合适的大型哺乳动物模型。随着高通量测序技术快速发展、测序成本降低、高密度SNP芯片基因分型技术发展、大型共享数据库可用性提升，配合日益完善的生物信息学分析手段，全基因组序列大数据的可获得性大大提高，可在各种家畜上开展快速解析遗传结构，为深入研究动物黑色素沉积的内在调控机制提供更充分的理论依据。