Genetický základ adaptivního melanismu u kapesních myší

výsledky a diskuse

myši byly shromážděny ze šesti míst ve čtyřech geografických oblastech, včetně světlých i tmavých substrátů (obr. 1A). Ve všech případech jsme pozorovali úzkou shodu mezi barvou substrátu a barvou hřbetní pelage (obr. 1B). Myši z Portal a Avra Valley byly rovnoměrně lehké. 29 myší z Pinacate stránky, 16 z 18 myší (89%) chytil na tmavé lávy byly tmavé, vzhledem k tomu, že 10 z 11 myší (91%) chycen na světlo-barevné kameny byly světla (Obr. 1B). Podobně z 20 myší z Armendaris bylo 7 z 8 myší (88%) ulovených na temné lávě tmavé, zatímco všech 12 myší (100%) ulovených na světlých skalách bylo lehkých. V těchto populacích fenotypová variace v barvě, byl do značné míry diskrétní spíše než kvantitativní; všechny myši byly snadno klasifikovány jako světlo nebo melanic na základě přítomnosti nebo nepřítomnosti subterminal kapela pheomelanin na jednotlivých chlupů na hřbetu.

pro identifikaci genů, které jsou základem fenotypu, je v zásadě možné několik přístupů. Nicméně, C. intermedius je obtížné chovat v zajetí, a proto jakýkoli přístup, který se spoléhá na kříže, není praktický. Místo toho jsme použili asociační studie s kandidátskými geny k identifikaci mutací zodpovědných za pozorované fenotypové rozdíly. Přibližně 1, 5 kb intronické DNA z lokusu agouti bylo sekvenováno u 36 myší, včetně zástupců ze všech míst. Black-and-tan mutace v laboratorní myši produkuje tmavý hřbet s unbanded chloupky a je způsobena vložení přerušení hřbetní promotér, ≈15 kb 5′ start kodonu (15). Usoudili jsme, že podobná mutace v C. intermedius může být detekována vazbou na polymorfismy na neutrálních místech přes střední genomové vzdálenosti (0-50 kb, v závislosti na věku mutace). Pozorovali jsme 16 single-nukleotidové polymorfismy a 5 vložení/smazání polymorfismů, včetně několika na střední frekvence; žádná ukázal asociace s barvou srsti. Existují dvě možná vysvětlení tohoto nedostatku asociace: Buď aguti není hlavní determinantou pozorované fenotypové rozdíly, nebo aguti je zapojeny, ale tam je málo nebo žádné vazebné nerovnováhy mezi weby jsme průzkum a funkční stránky(s).

obě alely celého genu Mc1r (954 bp) byly sekvenovány u 69 myší na obr. 1. Bylo pozorováno dvacet čtyři jednonukleotidových polymorfismů: 15 bylo synonymních a 9 nesynonymních. Čtyři z devíti aminokyselinových polymorfismů byly pozorovány pouze u tmavých myší z lokality Pinacate (Arg-18 → Cys, Arg-109 → Trp, Arg-160 → Trp a Gln-233 → His). Tyto čtyři varianty aminokyselin byly přítomny s vysokou frekvencí (82%) u tmavých myší Pinacate a byly v úplné vazebné nerovnováze mezi sebou. Všechny ostatní polymorfismy aminokyselin Mc1r byly přítomny při nízkých frekvencích a nevykazovaly žádnou souvislost s barvou myši. Distribuce variací nukleotidů Mc1r mezi světelnými a melanovými myšmi z místa Pinakátu je uvedena v tabulce 1.

Několik pozorování naznačují, že jeden nebo více z těchto čtyř aminokyselin mutace (stránky 18, 109, 160, 233) jsou zodpovědné za světlo/tma fenotypové rozdíly vidět v Pinacate populace. Za prvé, existuje dokonalá souvislost mezi genotypem a fenotypem(Tabulka 2). V jediné panmiktické populaci bez asortativního páření je souvislost mezi genotypovou a fenotypovou variací neočekávaná, pokud gen nebo pevně spojený gen není zodpovědný za fenotyp. Struktura populace však může vyvolat falešnou asociaci, i když gen není zapojen do fenotypových rozdílů (19). Tuto hypotézu jsme testovali sekvenováním mitochondriálních genů COIII a ND3 u všech myší z lokality Pinacate (n = 29). Fylogeneze těchto mitochondriálních genů ukazuje, že haplotypy ze světlých a tmavých myší se prolínají, což neposkytuje žádný důkaz pro skrytou strukturu populace (obr. 2). Protože většina toku genů v Chaetodipus je pravděpodobně zprostředkován muži (20) a protože mitochondriální genom má efektivní velikost populace o čtvrtinu efektivní velikost autozomů, mitochondriální DNA poskytuje citlivý marker pro detekci struktury obyvatelstva. Tyto údaje mtDNA také poskytují další důkazy o výběru na tmavých / světlých fenotypových rozdílech. V Pinacate populace, frekvence tmavě myši na světlém podkladu (9%) a frekvence tmavě myši na tmavém podkladu (89%) lze odhadnout stupeň populační diferenciace na fenotypové rozdíly mezi těmito dvěma přilehlých oblastech . Tato hodnota je >10krát větší než odpovídající hodnota pro mtDNA, což je v souladu s myšlenkou, že výběr řídí fenotypové rozdíly. Budoucí studie založené na větších vzorcích využívajících tento přístup nám umožní odhadnout velikost výběru z modelů rovnováhy migrace a výběru.

za druhé, všechny čtyři nesynonymní substituce, které vykazují souvislost s barvou srsti, způsobují změnu náboje aminokyselin. Na prvních třech aminokyselinových místech (18, 109, 160) je změna z kladně nabitého argininu na nenabitou aminokyselinu. Na čtvrtém místě (233) je nenabitý glutamin nahrazen pozitivně nabitým histidinem. Kromě toho jsou všechny čtyři mutace umístěny ve funkčně důležitých oblastech receptoru, které se pravděpodobně podílejí na interakcích s jinými proteiny. Dvě substituce jsou umístěny v extracelulárních oblastech (aminokyselinová místa 18 a 109) a dvě jsou umístěny v intracelulárních oblastech (místa 160 a 233); žádné nejsou umístěny v transmembránových doménách receptoru (obr. 3). Řadu dříve popsaných tmavě fenotypy na rozšíření locus v myši (16) a jiných organismů (21-25) jsou vzhledem k jediné aminokyseliny mutace v MC1R, i když žádná z mutací, které zde byly popsány již dříve hlášeny. V laboratorní myši, tabák (Etob) a pochmurný (Eso) ztmavnutí alely jsou způsobené mutacemi v první intracelulární a první extracelulární domény, respektive. Etob kóduje receptor melanokortinu-1, který zůstává citlivý na hormon stimulující α-melanocyty, ale je hyperaktivní, zatímco Eso kóduje konstitutivně aktivní receptor (16). Stejně jako alela Etob v Mus, zde uváděná melanická C.intermedius má tmavou barvu omezenou na hřbet.

Zatřetí, tmavá alela je dominantní nad lehkou alelou, v souladu s pozorováním mutací Mc1r u myší (11, 16) a dalších organismů(21-25). U laboratorních myší jsou mutace ztráty funkce na Mc1r recesivní a mají za následek světlou barvu, zatímco alely zesílení funkce jsou dominantní a vedou k tmavé barvě (16). Všechny heterozygotní myši pozorované v místě Pinacate jsou tmavé s nespandovanými chlupy a jsou fenotypicky podobné homozygotním tmavým myším.

a konečně, vzorec variace nukleotidů pozorovaný mezi alelami Mc1r z místa Pinacate naznačuje nedávný účinek pozitivního výběru. Třináct polymorfních míst je proměnných mezi světlými haplotypy, zatímco pouze jedno místo je variabilní mezi tmavými haplotypy (Tabulka 1). Poměr varianta invariantní lokalit se výrazně liší mezi tmavě a světle alely (1/953 a 13/941, Fisherův exaktní test, P < 0.01). Průměrná úroveň diverzity nukleotidů mezi světelnými alelami (π = 0.21%) je >10krát větší než rozmanitost nukleotidů mezi tmavými alelami (π = 0,01%). Snížená variabilita pozorovaná u tmavých alel Mc1r je očekávaným vzorem, pokud výběr nedávno opravil adaptivní substituci (26-28). Jediné tiché místo (nukleotidů 633) je v kompletní vazebné nerovnováhy s substituce aminokyselin přítomných ve všech tmavých zvířat; tento model je v souladu s genetickou autostop na tomto tichém místě na vybraných haplotyp. Nicméně, dva standardní testy neutrality (29, 30) nepodaří odhalit výběr na Mc1r v Pinacate populace, a to buď v celkovém vzorku nebo v subpopulace na světlém nebo tmavém podkladu. McDonald–Kreitman test (29) srovnává poměr synonymem pro nonsynonymous změny uvnitř druhů a mezi nimi; zde se tento poměr změnil jen nepatrně o čtyři substituce aminokyselin, které rozlišují světlo a tma Mc1r alely. Test HKA (30) porovnává variace uvnitř a mezi druhy pro dva různé geny (v tomto případě Mc1r a mtDNA); úroveň variability nukleotidů u Mc1r však není významně snížena ani v subpopulaci na tmavém substrátu kvůli přítomnosti heterozygotů Mc1r.

Protože kompletní vazebné nerovnováhy mezi aminokyseliny míst 18, 109, 160, 233 (Tabulka 1), naše data nám neumožňují určit relativní příspěvky každé z těchto lokalit, aby pozorované rozdíly v barvě, ani vyloučit možnost, že spojené gen je zodpovědný za pozorované fenotypové rozdíly. Druhá možnost se zdá nepravděpodobné, že by z výše popsaných důvodů a také proto, že žádný kandidát pigmentace geny jsou úzce spojeny s Mc1r u člověka nebo Mus. U laboratorních myší jsou jednotlivé změny aminokyselin při Mc1r dostatečné k vytvoření tmavé barvy (16). Funkční studie využívající konstrukty Mc1r v expresním systému in vitro lze použít k měření relativního účinku čtyř mutací na aktivaci receptoru. Předběžné výsledky z tábora testy ukazují, že tmavé alela kóduje hyperaktivní receptoru vzhledem k světlu, alela, poskytuje silnou podporu pro roli Mc1r v pozorované fenotypové rozdíly (H. E. H., H. Fujino, J. Regan, M. W. N., nepublikované údaje). Použití tohoto přístupu s konstrukty, které obsahují každý ze čtyř mutace jednotlivě i v kombinaci, doufáme, že rozlišovat mezi dvěma různými modely pro Mc1r evoluce: (já) jediný rozdíl aminokyselin je zodpovědná za pozorované fenotypové rozdíly, a dalších aminokyselin varianty mají stopem s vybrané stránky, nebo (ii) ze dvou nebo více aminokyselin variant (působí aditivně nebo epistatically) jsou povinni předložit pozorované fenotypové rozdíly.

je pozoruhodné, že zde uvedené údaje implikují změny aminokyselin v Mc1r v tmavém fenotypu v populaci Pinacate, ale ne v populaci Armendaris. Mezi 40 alelami Armendaris byl pozorován pouze jeden polymorfismus aminokyselin Mc1r (Ala-285 → Thr) ; tato varianta byla přítomna u 2 z 24 alel u světlých myší a 0 ze 16 alel u tmavých myší. Dva tiché polymorfismy byly přítomny na mezilehlých frekvencích (48%) mezi 40 alelami Armendaris, ale ani jeden nevykazoval žádnou souvislost s barvou myši. Ve skutečnosti byly frekvence těchto polymorfismů velmi podobné u tmavých (50%) a lehkých (45%) myší. Neexistenci asociace mezi nukleotidů polymorfismus v Mc1r kódující oblasti a myš barva na Armendaris také je nepravděpodobné, že neprozkoumané místa v promotorové oblasti jsou zodpovědné za fenotypové rozdíly, pokud vazebné nerovnováhy se rozkládá velmi rychle. Promotor oblast Mc1r byla dobře charakterizována v obou myších (31) a člověka (32), a to spočívá ≈500 bp upstream od start kodonu. Obecně byly vzory nukleotidových variací v kódující oblasti Mc1r ve vzorcích z Armendaris (světlých i tmavých), Portal a Avra Valley neočekávané. Úrovně diverzity nukleotidů se pohybovaly od 0,11% do 0,19%, podobně jako hodnota pozorovaná u lehkých zvířat z místa Pinakátu.

skutečnost, že čtyři mutace vidět v melanic Pinacate myší (Arg-18 → Cys, Arg-109 → Trp, Arg-160 → Trp, a Gln-233 → Jeho) nepřítomnosti v melanic myší z Armendaris naznačuje, že podobná tmavý fenotyp se vyvinul nezávisle na tyto různé proudy lávy a udělal tak přes různé genetické změny, i když gen(y) zapojených do Armendaris populace dosud nebyly identifikovány. Odlišné molekulární základ pro stejný fenotyp ve dvou různých populací, poskytuje silný důkaz pro konvergentní fenotypová evoluce v relativně krátkém časovém horizontu; oba lávové proudy jsou méně než jeden milion let.

zatímco u jiných druhů byly identifikovány mutace ztmavnutí Mc1r (16, 21-25), ekologický kontext změn buď není pochopen (24, 25), nebo je způsoben umělým výběrem (22, 23). Sovy jsou důležitými predátory kapesních myší (8, 9) a je známo, že rozlišují mezi světlými a tmavými myšmi na světlých a tmavých substrátech, i když se živí v noci při nízké intenzitě světla (10). Je tedy pravděpodobné, že sovy hrají důležitou roli při výběru pro skrytí zbarvení. Zde uvedená data představují vzácný příklad molekulárních změn, které jsou základem adaptace v jednoduchém a přirozeném ekologickém prostředí.