「黑暗」or「光明」，兩種生活隨意切換

兩棲動物在脊椎動物進化史上地位獨特，是從水生到陸生的過度類群。大多數無尾兩棲動物的生長發育過程中往往伴隨著從水生到陸生的轉變，這意味著它們需要面對諸多環境因素（如，溫度、氧含量、光線等）的巨大變化。正因如此，兩棲動物中存在許多複雜而有趣的環境適應現象。

穴居兩棲動物「黑白分明」的生活史

洞穴適應是一種極端的生物學現象，由於長期處於無光或暗光的環境，穴居動物往往具有色素缺失（透明化）的表型，這有利於減少資源消耗以適應資源貧瘠的洞穴環境。其中研究較多的是洞穴魚，包括墨西哥脂鯉（Astyanaxmexicanus）和中國廣西的安水金線?（Sinocyclocheilus anshuiensis），這些動物為研究極端環境中的進化與適應提供了獨特視角。事實上，洞穴適應現象亦存在於兩棲類無尾目中。紅點齒蟾（Oreolalax rhodostigmatus）蝌蚪正是穴居兩棲類的代表，生活在黑暗洞穴的陰河中，皮膚透明無色，眼退化較小，應該是真洞穴動物。與幼體相反，紅點齒蟾成體大部分時間在洞外活動，皮膚深黑，僅是客居動物或洞棲動物。這種幼體向完全黑暗環境適應，而成體向有光環境適應的現象非常獨特，實現這一獨特生存策略的遺傳基礎非常有趣。

圖1 紅點齒蟾生活史及皮膚色素的響應模式。

穴居動物色素缺失的遺傳機制是什麼？

已知爬行類、兩棲類和魚類都至少具有兩種體色調節途徑：生理水平色素調節和形態水平色素調節。生理水平色素調節的本質是色素小體在色素細胞中的分散（膚色加深）與聚集（膚色變淺）過程，其本身不涉及色素細胞的增殖以及黑色素的合成，明顯的膚色變化僅需數小時。形態水平顏色改變則依賴於色素細胞的分裂增殖/凋亡、黑色素的合成/清除，明顯的顏色改變往往需要數天甚至數周的時間。洞穴魚的色素缺失的遺傳基礎是色素合成相關基因的突變，即形態水平色素調節機制的功能降低或喪失；因此，洞穴魚即使在有光的環境下依然保持色素缺失的表型。雖然洞穴環境下的色素缺失是洞穴魚與紅點齒蟾蝌蚪的共有特徵，但是其遺傳機制可能存在巨大的差異，這是因為紅點齒蟾蝌蚪在自然光曝露下的15小時內，透明的蝌蚪將變為灰黑色。那麼紅點齒蟾的色素缺失和光誘導的快速黑化現象是以怎樣的機制實現的呢？

中科院成都生物研究所科研人員研究了該蝌蚪光照誘導下的皮膚黑化過程。意外的是，皮膚色素形態變化和相關基因（色素轉運相關基因、色素合成相關基因、黑色素細胞標誌基因及轉錄因子 MITF 等）的表達模式均表明，紅點齒蟾的快速黑化現象屬於形態水平色素調節。這便得出一個有趣的結論，紅點齒蟾的形態水平色素調節系統可能既負責無光條件下的色素缺失（與洞穴魚相似），又負責有光條件下的快速黑化（比非洞穴適應的蝌蚪更高效）。什麼樣的遺傳基礎協調了這看似相互矛盾的色素合成需求呢？

圖2 變溫脊椎動物的色素調節途徑及紅點齒蟾光誘導的色素響應。

「非黑即白」的色素突變

研究團隊先了解一下自然界中已知的顏色突變表型的遺傳基礎。色素缺失以及動物的白化表型主要是由於色素合成相關基因突變所導致的功能缺失或者降低；而許多黑化表型則主要是由於黑素細胞刺激荷爾蒙受體（MC1R）的活性改變。MC1R 是生理水平色素調節與形態水平色素調節的共同信號受體，除受到 α-MSH 配體激活外，其本身亦具有一定的本底活性。MC1R 的活性主要受到其第二與第三跨膜螺旋的電荷水平所決定，這一區域也是其配體 α-MSH 的結合區域。該區域凈正電荷的增加以模仿 α-MSH 正電荷的方式增強 MC1R 的本底活性，但與此同時，其對 α-MSH 的響應和親和力則降低。已有的研究表明，多種動物的黑化表型均與 MC1R 的第二與第三跨膜螺旋突變所導致的本底活性增強有關。那麼該區域負電荷的增加是否會導致色素缺失或白化表型呢？目前為止，儘管基於 MC1R 正電化突變的黑化表型廣為報道，但基於 MC1R 負電化的突變卻沒有報道，其可能導致的表型也未知。另外，已知的色素突變現象均是指向黑化或者白化/透明化，鮮有關於類似紅點齒蟾色素策略的「雙指向」的現象。

圖3 色素變化的遺傳基礎與 MC1R 的功能特性。

紅點齒蟾如何修得雙全法，不負「黑暗」不負「光明」？

研究團隊分析了紅點齒蟾色素合成與調節相關基因的序列，發現僅有 MC1R 基因的序列與其他物種間存在顯著的差別。其最大的特徵在於第二與第三跨膜螺旋區域存在4個氨基酸的非移位缺失，這一片段缺失覆蓋了一個保守的正電荷位點，導致紅點齒蟾的第二與第三跨膜螺旋區域凈負電荷增加。與此同時，該片段缺失以及其他的氨基酸突變導致了「ASP×××Asp×××Asp×××」的負電荷串聯。通過蛋白質三維建模發現，片段缺失導致紅點齒蟾MC1R的第三跨膜螺旋向胞外延長，同時使得3個 Asp 殘基（其它已研究的兩棲類僅1個）串聯排列於配體口袋中，形成一個帶負電荷的陷阱樣結構。顯然，這一結構改變使得紅點齒蟾MC1R 的本底活性降低，而對配體 α-MSH 的親和力增加，即配體依賴的活性增強。這就解釋了紅點齒蟾的色素系統為何能夠同時滿足洞穴環境中的色素缺失和光線誘導下的色素快速合成。

圖4 紅點齒蟾 MC1R 氨基酸片段缺失、功能特性與色素適應策略。

紅點齒蟾幼體與成體生境分化的生存策略可以獲得較豐富的食物和活動空間，有利於物種的生存竟爭，而 MC1R 的片段缺失和氨基酸突變在色素調節方面為這一複雜的生存策略提供了基礎。該研究首次揭示了 MC1R 突變與兩棲類色素適應的關聯，為具有複雜生活史的動物的顏色適應機制提供了新的視角。

來源：中國科學院成都生物研究所

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