穴居两栖动物“黑白分明”的生活史

洞穴适应是一种极端的生物学现象，由于长期处于无光或暗光的环境，穴居动物往往具有色素缺失（透明化）的表型，这有利于减少资源消耗以适应资源贫瘠的洞穴环境。其中研究较多的是洞穴鱼，包括墨西哥脂鲤（Astyanaxmexicanus）和中国广西的安水金线鲃（Sinocyclocheilus anshuiensis），这些动物为研究极端环境中的进化与适应提供了独特视角。事实上，洞穴适应现象亦存在于两栖类无尾目中。红点齿蟾（Oreolalax rhodostigmatus）蝌蚪正是穴居两栖类的代表，生活在黑暗洞穴的阴河中，皮肤透明无色，眼退化较小，应该是真洞穴动物。与幼体相反，红点齿蟾成体大部分时间在洞外活动，皮肤深黑，仅是客居动物或洞栖动物。这种幼体向完全黑暗环境适应，而成体向有光环境适应的现象非常独特，实现这一独特生存策略的遗传基础非常有趣。

图1 红点齿蟾生活史及皮肤色素的响应模式。

穴居动物色素缺失的遗传机制是什么？

已知爬行类、两栖类和鱼类都至少具有两种体色调节途径：生理水平色素调节和形态水平色素调节。生理水平色素调节的本质是色素小体在色素细胞中的分散（肤色加深）与聚集（肤色变浅）过程，其本身不涉及色素细胞的增殖以及黑色素的合成，明显的肤色变化仅需数小时。形态水平颜色改变则依赖于色素细胞的分裂增殖/凋亡、黑色素的合成/清除，明显的颜色改变往往需要数天甚至数周的时间。洞穴鱼的色素缺失的遗传基础是色素合成相关基因的突变，即形态水平色素调节机制的功能降低或丧失；因此，洞穴鱼即使在有光的环境下依然保持色素缺失的表型。虽然洞穴环境下的色素缺失是洞穴鱼与红点齿蟾蝌蚪的共有特征，但是其遗传机制可能存在巨大的差异，这是因为红点齿蟾蝌蚪在自然光曝露下的15小时内，透明的蝌蚪将变为灰黑色。那么红点齿蟾的色素缺失和光诱导的快速黑化现象是以怎样的机制实现的呢？

中科院成都生物研究所科研人员研究了该蝌蚪光照诱导下的皮肤黑化过程。意外的是，皮肤色素形态变化和相关基因（色素转运相关基因、色素合成相关基因、黑色素细胞标志基因及转录因子 MITF 等）的表达模式均表明，红点齿蟾的快速黑化现象属于形态水平色素调节。这便得出一个有趣的结论，红点齿蟾的形态水平色素调节系统可能既负责无光条件下的色素缺失（与洞穴鱼相似），又负责有光条件下的快速黑化（比非洞穴适应的蝌蚪更高效）。什么样的遗传基础协调了这看似相互矛盾的色素合成需求呢？

图2 变温脊椎动物的色素调节途径及红点齿蟾光诱导的色素响应。

“非黑即白”的色素突变

研究团队先了解一下自然界中已知的颜色突变表型的遗传基础。色素缺失以及动物的白化表型主要是由于色素合成相关基因突变所导致的功能缺失或者降低；而许多黑化表型则主要是由于黑素细胞刺激荷尔蒙受体（MC1R）的活性改变。MC1R 是生理水平色素调节与形态水平色素调节的共同信号受体，除受到 α-MSH 配体激活外，其本身亦具有一定的本底活性。MC1R 的活性主要受到其第二与第三跨膜螺旋的电荷水平所决定，这一区域也是其配体 α-MSH 的结合区域。该区域净正电荷的增加以模仿 α-MSH 正电荷的方式增强 MC1R 的本底活性，但与此同时，其对 α-MSH 的响应和亲和力则降低。已有的研究表明，多种动物的黑化表型均与 MC1R 的第二与第三跨膜螺旋突变所导致的本底活性增强有关。那么该区域负电荷的增加是否会导致色素缺失或白化表型呢？目前为止，尽管基于 MC1R 正电化突变的黑化表型广为报道，但基于 MC1R 负电化的突变却没有报道，其可能导致的表型也未知。另外，已知的色素突变现象均是指向黑化或者白化/透明化，鲜有关于类似红点齿蟾色素策略的“双指向”的现象。

图3 色素变化的遗传基础与 MC1R 的功能特性。

红点齿蟾如何修得双全法，不负“黑暗”不负“光明”？

研究团队分析了红点齿蟾色素合成与调节相关基因的序列，发现仅有 MC1R 基因的序列与其他物种间存在显著的差别。其最大的特征在于第二与第三跨膜螺旋区域存在4个氨基酸的非移位缺失，这一片段缺失覆盖了一个保守的正电荷位点，导致红点齿蟾的第二与第三跨膜螺旋区域净负电荷增加。与此同时，该片段缺失以及其他的氨基酸突变导致了“ASP×××Asp×××Asp×××”的负电荷串联。通过蛋白质三维建模发现，片段缺失导致红点齿蟾MC1R的第三跨膜螺旋向胞外延长，同时使得3个 Asp 残基（其它已研究的两栖类仅1个）串联排列于配体口袋中，形成一个带负电荷的陷阱样结构。显然，这一结构改变使得红点齿蟾MC1R 的本底活性降低，而对配体 α-MSH 的亲和力增加，即配体依赖的活性增强。这就解释了红点齿蟾的色素系统为何能够同时满足洞穴环境中的色素缺失和光线诱导下的色素快速合成。

图4 红点齿蟾 MC1R 氨基酸片段缺失、功能特性与色素适应策略。

红点齿蟾幼体与成体生境分化的生存策略可以获得较丰富的食物和活动空间，有利于物种的生存竟争，而 MC1R 的片段缺失和氨基酸突变在色素调节方面为这一复杂的生存策略提供了基础。该研究首次揭示了 MC1R 突变与两栖类色素适应的关联，为具有复杂生活史的动物的颜色适应机制提供了新的视角。