mitfa剪接突变导致洞穴鱼类色素缺失的分子机制与进化研究

本研究针对洞穴鱼类Triplophysa rosa的色素缺失现象，通过比较转录组分析和功能验证，揭示了mitfa基因剪接位点突变导致63-nt缺失和21个氨基酸缺失，进而影响黑色素合成的分子机制。研究人员发现酪氨酸酶相关蛋白1a(tyrp1a)的提前终止突变也参与表型形成，并通过Ka/Ks分析证实色素相关基因在洞穴环境中经历选择压力松弛。该研究为理解极端环境下性状退化的遗传基础提供了新见解，论文发表于《Molecular Biology and Evolution》。

　　

在黑暗的洞穴环境中，生物往往表现出色素缺失、眼睛退化等特殊表型，这些"退化性状"为理解极端环境下的进化机制提供了天然模型。然而，色素缺失的分子机制及其进化驱动力仍存在争议。中国拥有全球39%的洞穴鱼类资源，其中Triplophysa属包含至少27个洞穴物种，为研究这一科学问题提供了理想材料。

中国科学院动物研究所动物多样性保护与有害生物综合治理国家重点实验室的研究人员，以洞穴鱼类Triplophysa rosa及其地表近缘种T. stenura为研究对象，通过组织学观察发现洞穴鱼皮肤中黑色素体显著减少。研究团队采用比较转录组学、Ka/Ks选择压力分析和功能验证等系统方法，揭示了洞穴鱼类色素缺失的分子机制和进化规律，相关成果发表在《Molecular Biology and Evolution》。

关键技术方法包括：1) 皮肤组织转录组测序和差异表达分析；2) 基于PAML软件的Ka/Ks选择压力计算；3) 关键基因变异位点的Sanger测序验证；4) 利用斑马鱼nacre突变体进行mitfa基因功能拯救实验。样本来自重庆武隆和四川康定的野生种群。

【Depigmentation of Skin Melanophores in the Cavefish T. rosa】
通过组织学比较发现，洞穴鱼T. rosa皮肤呈粉红色，透射电镜显示其黑色素体数量和色素沉着程度显著低于地表鱼T. stenura。H&E染色证实洞穴鱼表皮中黑色素细胞数量减少，且残留的黑色素体着色较浅。

【Relaxed Selection on Pigmentation Genes in the Cavefish T. rosa】
基因组水平选择压力分析显示，洞穴鱼谱系中色素特异性基因的平均Ka/Ks比值(0.547)显著高于地表鱼(0.251)，表明这些基因在洞穴环境中经历选择压力松弛。混合分支模型估算色素基因进入近中性进化阶段的时间约为5.37百万年前。pmela、pmelb、tyr和tyrp1b等基因在洞穴鱼中Ka/Ks比值接近1，提示功能限制的放松。

【Gene Expression Changes Associated with Cavefish Depigmentation】
转录组分析鉴定出5，228个差异表达基因，其中黑色素合成通路基因显著下调。GO富集显示"色素形成"(GO:0043473)等术语在洞穴鱼下调基因中显著富集。关键黑色素合成基因(oca2、slc45a2、tyr、tyrp1、mc1r)表达量显著降低，而mitfa表达量却异常升高2.74倍。

【Expression and Sequence Changes of Pigmentation Genes in Cavefish】
序列分析发现两个关键突变：tyrp1a外显子6的T-to-A突变引入提前终止密码子，可能导致mRNA降解；mitfa内含子4的5'剪接位点突变(CGG→TATATA)，导致外显子4末端63-nt缺失，编码蛋白缺失21个氨基酸的激活域(AD)。这些突变在已发表的洞穴鱼基因组数据中得到验证。

【Splicing Mutation of mitfa Leads to Melanin Synthesis Failure】
斑马鱼功能实验显示，地表鱼mitfa能部分恢复nacre突变体的色素沉着(61.8%效果)，而洞穴鱼mitfa仅产生少量黑色素细胞(15.2%效果)。人工构建的63-nt缺失型斑马鱼mitfa也表现出显著降低的拯救效率，证实该缺失直接削弱Mitfa蛋白功能。

这项研究系统阐明了洞穴鱼T. rosa色素缺失的遗传基础：1) mitfa剪接突变导致关键功能域缺失，削弱其调控下游基因的能力；2) tyrp1a提前终止突变进一步加剧色素合成障碍；3) 色素特异性基因在洞穴环境中经历选择压力松弛，加速了基因功能的退化。这些发现为理解极端环境下性状退化的分子机制和进化规律提供了新视角，特别是首次揭示了剪接变异在洞穴适应中的重要作用。研究还表明，在缺乏自然选择压力的情况下，中性突变通过遗传漂变固定可能是洞穴生物表型退化的重要驱动力。