01、毛發(fā)生長與毛色形成

毛發(fā)生于毛囊，毛囊深植于皮膚的表皮和真皮中，其最下部的毛球是毛發(fā)生長的起始部位，黑色素細胞分布于其中，負責合成各種色素顆粒[1]。毛發(fā)的生長是周期性的，分生長期、退行期和休止期3個階段。生長期時，毛囊具有高度代謝活性，毛干中的髓質(zhì)和皮質(zhì)細胞吸收附近的色素顆粒，展現(xiàn)出相應(yīng)的顏色。因此，毛發(fā)的顏色取決于色素顆粒種類以及色素顆粒的遷移過程。

圖1. 白發(fā)形成過程[2]

02、毛色基因C、B&A影響黑色素的合成

黑色素是由黑色素細胞合成的、一種氨基酸衍生的生物色素，屬于多元酚類聚合物，主要分棕/黑色的真黑素和紅/黃色的褐黑素兩種類型[3]。黑色素的合成過程復(fù)雜（圖2），L-酪氨酸氧化是黑色素合成的起始步驟，酪氨酸酶（TYR）、酪氨酸酶相關(guān)蛋白1（TRP-1）和酪氨酸酶相關(guān)蛋白2（TRP-2）是黑色素合成的重要限速因素。如果這些關(guān)鍵基因發(fā)生突變，就會出現(xiàn)不同的毛色。

圖2. 黑色素合成路徑[3]

2.1 毛色基因C

例如，酪氨酸激酶Tyr突變喪失生物活性后，色素顆粒無法合成，就形成白化（albino）小鼠。這一基因決定小鼠是白色還是非白色。非白色是顯性遺傳的，用C表示；而白色是隱性遺傳的，用c表示。所有白化小鼠如Balb/c，F(xiàn)VB和ICR等，該位點的兩個等位基因均為無活性的酪氨酸激酶。由于影響黑色素合成早期步驟，一旦產(chǎn)生會完全掩蓋其他毛色的性狀。

圖3. BALB/c小鼠

2.2 毛色基因B

而在酪氨酸激酶有活性時，真黑色素產(chǎn)生過程中又受TRP-1和TRP-2基因調(diào)節(jié)。TRP-1有活性時，催化更多偏黑色的真黑色素顆粒產(chǎn)生，小鼠毛發(fā)將著黑色，如C57BL小鼠（C57BL/6JSmoc小鼠的祖系）。如TRP-1蛋白活性丟失，則將以合成棕色色素顆粒為主，小鼠毛色將表現(xiàn)為棕色，如C57BR小鼠。黑色是顯性遺傳的，通常用B來表示；褐色則是隱性遺傳的，用b來表示。

圖4. C57BL/6（左）與C57BR（右）

2.3 毛色基因A

黑色素合成限速酶的表達水平也受到多種蛋白的調(diào)控。α-MSH是由黑色素細胞和角質(zhì)細胞通過自分泌和旁分泌方式產(chǎn)生的多肽，通過與黑色素細胞上的受體MC1R結(jié)合觸發(fā)G蛋白偶聯(lián)作用，促進TYR、TRP-1和TRP-2的表達上調(diào)，刺激黑色（或棕色）色素顆粒合成。α-MSH同MC1R解離后，則會促進褐黑色素的合成。

圖5. aMSH-MC1R信號通路 [4]

α-MSH與MC1R的結(jié)合過程受到ASP（Agouti Signaling Protein）的拮抗。因此ASP表達后，黑色素細胞會選擇合成更多的褐黑色素。有意思的是，ASP受毛囊發(fā)生周期調(diào)控，表現(xiàn)為在毛囊發(fā)生的不同周期中或表達或關(guān)閉，其結(jié)果是毛發(fā)頂端以下會有一段是黃色，而其他部分都是黑色或者褐色。這樣顏色被稱為野生型（agouti）毛色，該位點基因通常以大寫字母A表示，A對a也是顯性。最常用的胚胎干細胞系的來源——129小鼠，即為野生型毛色。

圖6. 129小鼠

03

毛色基因P,D影響黑色素的轉(zhuǎn)運

黑色素小體（melanosome）是黑色素細胞中淀粉樣纖維形成的紋狀體結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的一種特化的膜結(jié)合細胞器，黑色素在黑色素小體中合成，而后由黑色素小體依靠細胞骨架移動和定位系統(tǒng)利用微管運輸，轉(zhuǎn)移到黑色素細胞周質(zhì)，從微管上釋放并轉(zhuǎn)運至鄰近的角質(zhì)細胞[3]。

圖7. 黑色素形成的信號通路[3]

3.1 毛色基因P

在此過程中，有2個基因的突變更為常見。P（pink-eyed dilution）基因為膜相關(guān)轉(zhuǎn)運蛋白基因，通過調(diào)控Tyr酶的翻譯后修飾和運輸，調(diào)控黑色素的形成。該性狀是隱性遺傳，用p表示。Pink-eyed dilution小鼠的黑色素的量少了很多，但褐色素受的影響很少。呈現(xiàn)出來的性狀是小鼠有粉色的眼睛，并且毛色被沖淡。如黑色non-agouti的小鼠，如果有pink-eyed dilution的性狀，看起來就像有銀色的皮毛。

圖8. Nonagouti pink-eyed dilution小鼠

3.2 毛色基因D

肌動蛋白相關(guān)的肌球蛋白Va（Myo5a）參與了黑色素正常轉(zhuǎn)運過程。如果該基因發(fā)生突變（以Myo5ad或d來表示），黑色素細胞合成的色素顆粒向細胞外運輸?shù)男蕦⑾陆?，?dǎo)致小鼠的毛桿著色變淺，如DBA1小鼠和DBA2小鼠。D對d顯性。

圖9. DBA小鼠

總結(jié)一下，最常遇到小鼠毛色由５個基因位點控制的，ABCDP：

1、Agouti vs non-Agouti, A, a,

2、Black vs brown,B,b,Tyrp1+/Tyrp1b

3、Pigmented vs albino, C, c, Tyr+/Tyrc

4、Non-dilute vs dilute,D,d,Myo5a+/ Myo5ad

5、Non-pink vs pink-eyed dilution, P,p

04

小鼠毛色與ES細胞打靶

在CRISPR/Cas9技術(shù)還未普及前，ES細胞打靶技術(shù)是最常用的基因編輯手段。主要方法是利用同源重組技術(shù)對ES細胞特定位點的基因進行改造，通過顯微注射方法將經(jīng)過遺傳修飾的ES細胞引入受體胚胎內(nèi)，最終形成嵌合小鼠。

為方便區(qū)分小鼠的嵌合程度，通常ES細胞系來源的小鼠毛色與供體囊胚來源的小鼠毛色是不一樣的，所以嵌合體子代小鼠的毛色是不均一的(圖10)，一般選擇嵌合程度高的小鼠用于后續(xù)的繁育。繁育過程中，會出現(xiàn)毛色性狀的分離，有時需要結(jié)合基因型鑒定確定陽性小鼠。

圖10. ES打靶陽性小鼠繁育過程[6]

所以，小白鼠你明白了嗎？你來自于嵌合小鼠和BALB/c小鼠的后代，因為是隱形遺傳，所以爸爸媽媽都沒有表現(xiàn)出來，恰好你隨機遺傳了他們的一個隱性基因，因此化身白色小鼠啦。

參考文獻

[1] Current Challenges in Understanding the Story of Skin Pigmentation — Bridging the Morpho-Anatomical and Functional Aspects of Mammalian Melanocytes. http://dx.doi.org/10.5772/60714

[2] http://hennaforhair.com/gray/graying2.html

[3] 王磊，劉軍. 黑色素形成分子機制研究進展.新疆大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). Vol.36, No.4.2019

[4]https://mutagenetix.utsouthwestern.edu/phenotypic/phenotypic_rec.cfm?pk=366

[5]http://www.syikss.com/akss/news2/167.html

[6]https://ki-sbc.mit.edu/preclinical-modeling/methods/generation-mice

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