洞穴適應是一種極端而有趣的生物學現(xiàn)象。在兩棲動物中，紅點齒蟾（Oreolalax rhodostigmatus）很好地適應了洞穴生活，其蝌蚪常年生活于喀斯特地貌的溶洞中，皮膚透明；而其成體則需要在洞外捕食，背部皮膚整體呈現(xiàn)深黑色。同時，暴露于自然光下的蝌蚪會在15小時候從透明變?yōu)榛液谏Ｌ崾酒渖叵到y(tǒng)特別，既需要保證無光條件下極低的色素分布，又要保證光照下迅速的皮膚色素覆蓋，以抵御紫外線。
圖1 光線暴露下紅點齒蟾的快速黑化現(xiàn)象。
針對這一有趣的現(xiàn)象，中國科學院成都生物研究所江建平研究團隊的朱未、王斌等人比較了不同光照時間暴露后紅點齒蟾的基因表達變化，發(fā)現(xiàn)光照下紅點齒蟾蝌蚪皮膚黑化的本質(zhì)是黑色素細胞的增殖和黑色素的從頭合成（形態(tài)學顏色改變），而非色素在細胞內(nèi)的分散與聚集（生理學顏色改變）。一般而言，形態(tài)學顏色改變的速率遠遠慢于生理學顏色改變（數(shù)小時），往往需要數(shù)天到數(shù)周的時間才能觀察到明顯的變化。那么紅點齒蟾蝌蚪是如何實現(xiàn)快速的形態(tài)學顏色改變呢？分析表明，光照激活了強烈的細胞增殖和分裂信號，包括：各類生長因子（PDGF、FGF、HGF等）信號及其下游的MAPK信號和PI3K-Akt信號，其為快速的形態(tài)學改變提供了基礎。
更為重要的是，該團隊發(fā)現(xiàn)紅點齒蟾的M1CR基因（黑素細胞刺激荷爾蒙受體）的第二跨膜螺旋與第三跨膜螺旋之間的胞外區(qū)存在4個氨基酸片段的缺失，該區(qū)域位于MC1R配體結合域。MC1R是黑色素細胞增殖和色素合成的關鍵受體，其配體為帶正電荷的α-MSH（黑色素細胞刺激荷爾蒙），其受紫外線刺激而釋放。蛋白三維重構表明，該片段缺失導致紅點齒蟾的MC1R第三跨膜螺旋延長，同時使得3個Asp殘基（其他蛙僅1個）串聯(lián)排列于配體口袋中，形成一個帶負電荷的陷阱樣結構，從而增強對MSH信號的響應，實現(xiàn)快速黑化。另外，研究證實了MC1R配體結合域的正電荷水平與其本底活性正相關，自然界的許多黑化現(xiàn)象（如：黑化美洲豹、黑化老鼠、黑化狐貍等）均與該區(qū)域的堿化或去酸化突變有關。紅點齒蟾MC1R的配體結合域有3個Asp負電荷，可以推測其具有較低的本底活性，也為洞穴環(huán)境下的透明表型提供了解釋。因此，MC1R的片段缺失和氨基酸突變是紅點齒蟾在色素調(diào)節(jié)方面適應洞穴環(huán)境的關鍵。該研究首次揭示了MC1R突變與兩棲類色素適應的關聯(lián)，也為非專性洞穴物種的顏色適應機制提供了新的視角。相關成果發(fā)表于BMC genomics。
該研究獲得了院重點部署項目，自然科學基金面上項目和西部之光項目的支持。
圖2 紅點齒蟾MC1R基因片段缺失及其對三維結構和電荷性質(zhì)的影響。
圖3 MC1R的突變解釋了紅點齒蟾如何實現(xiàn)洞穴中維持透明表型以及光照下快速色素生成。