Adaptiivisen melanismin geneettinen perusta taskuhiirillä

tulokset ja keskustelu

hiirillä kerättiin kuudesta paikasta neljältä maantieteelliseltä alueelta, mukaan lukien sekä vaaleat että tummat alustat (Kuva. 1 A). Kaikissa tapauksissa havaitsimme tiiviin vastaavuuden substraatin värin ja dorsaalisen pelagen värin (kuva. 1b). Portalin ja Avran laakson hiiret olivat tasaisen kevyitä. Pinacate-sivuston 29 hiirestä 16 18: sta (89%) tummalle laavalle pyydetystä hiirestä oli tummia, kun taas 10 11: stä (91%) vaalealle kivelle pyydetystä hiirestä oli vaaleita (Kuva. 1b). Vastaavasti Armendariksen 20 hiirestä 7 8: sta (88%) tummalla laavalla pyydystetystä hiirestä oli tummia, kun taas kaikki 12 (100%) vaaleilla kivillä pyydystettyä hiirtä olivat vaaleita. Näissä populaatioissa fenotyyppinen värivaihtelu oli suurelta osin diskreettiä eikä kvantitatiivista; kaikki hiiret luokiteltiin helposti vaaleiksi tai melaanisiksi sen perusteella, oliko yksittäisissä dorsumin karvoissa feomelaniinin subterminaalinauha vai ei.

periaatteessa on useita lähestymistapoja, joilla voidaan tunnistaa kiinnostavan fenotyypin taustalla olevat geenit. C. intermedioita on vaikea kasvattaa vankeudessa, ja siksi mikään risteytykseen nojaava lähestymistapa ei ole käytännöllinen. Sen sijaan käytimme assosiaatiotutkimuksia kandidaattigeenien kanssa tunnistaaksemme mutaatiot, jotka ovat vastuussa havaituista fenotyyppisistä eroista. Noin 1,5 kb intronista DNA: ta agoutin lokuksesta sekvensoitiin 36 hiireen, mukaan lukien edustajat kaikista paikoista. Laboratoriohiiren black-and-tan-mutaatio tuottaa tumman dorsumin, jossa on sitoutumattomia karvoja ja jonka aiheuttaa dorsaalista promoottoria häiritsevä insertio, ≈15 kb 5′ aloituskodonista (15). Päättelimme, että samanlainen mutaatio C. intermediuksella voitaisiin havaita kytkemällä polymorfismeja neutraaleihin kohtalaisilla genomietäisyyksillä (0-50 kb, riippuen mutaation iästä). Havaitsimme 16 yhden nukleotidin polymorfismit ja 5 insertio/deleetion polymorfismit, mukaan lukien useita välitaajuuksilla; yksikään ei osoittanut yhteyttä turkin väri. Yhdistyksen puuttumiselle on kaksi mahdollista selitystä: Joko agouti ei ole havaittuja fenotyyppisiä eroja määräävä tekijä tai agouti on mukana, mutta tutkimiemme kohtien ja toiminnallisten kohtien välillä on vain vähän tai ei lainkaan epätasapainoa.

koko Mc1r-geenin molemmat alleelit (954 bp) sekvensoitiin Fig: n 69 hiirellä. 1. Havaittiin kaksikymmentäneljä yksinukleotidipolymorfismia: 15 oli synonyymejä ja 9 ei-synonyymejä. Neljä yhdeksästä aminohappopolymorfismista havaittiin vain pimeillä hiirillä Pinakaattipaikalta (Arg-18 → KYS, Arg-109 → Trp, Arg-160 → Trp ja Gln-233 → His). Näitä neljää aminohappovarianttia esiintyi tiheästi (82%) pimeillä Pinacate-hiirillä, ja ne olivat täysin epätasapainossa keskenään. Kaikki muut Mc1r: n aminohappopolymorfismit esiintyivät matalilla taajuuksilla, eikä niillä havaittu yhteyttä hiiren väriin. Mc1r-nukleotidivaihtelun jakautuminen valo – ja melaanihiiriin Pinakaattipaikasta on esitetty taulukossa 1.

useat havainnot viittaavat siihen, että yksi tai useampi näistä neljästä aminohappomutaatiosta (kohdat 18, 109, 160 ja 233) on vastuussa pinakaattipopulaatiossa havaituista valon ja pimeyden fenotyyppisistä eroista. Ensinnäkin genotyypin ja fenotyypin välillä on täydellinen yhteys (Taulukko 2). Yksittäisessä panmiktisessa populaatiossa, jossa ei ole lajittunutta parittelua, genotyypin ja fenotyypin vaihtelun välinen yhteys on odottamaton, ellei fenotyyppi ole geenin tai siihen läheisesti liittyvän geenin vastuulla. Populaatiorakenne voi kuitenkin tuottaa harhaisen assosiaation silloinkin, kun jokin geeni ei osallistu fenotyyppisiin eroihin (19). Testasimme tätä hypoteesia sekvensoimalla mitokondrion COIII-ja ND3-geenit kaikilla hiirillä Pinakaattipaikalta (n = 29). Näiden mitokondrioiden geenien fylogenia osoittaa, että vaalean ja tumman hiiren haplotyypit sekoittuvat toisiinsa, mikä ei tarjoa todisteita piilevästä populaatiorakenteesta (Kuva. 2). Koska suurin osa chaetodipuksen geenivirrasta välittyy todennäköisesti urosten (20) välityksellä ja koska mitokondrion genomin efektiivinen populaatiokoko on neljäsosa autosomien efektiivisestä koosta, mitokondrion DNA tarjoaa herkän merkkiaineen väestörakenteen havaitsemiseksi. Nämä mtDNA: n tiedot antavat myös lisätodisteita valinnasta tumman ja vaalean fenotyyppien eroista. Pinakaattipopulaatiossa voidaan arvioida populaation eriytymisastetta näiden kahden vierekkäisen alueen fenotyyppisten erojen osalta käyttämällä tummien hiirten esiintymistiheyttä vaalealla alustalla (9%) ja tummien hiirten esiintymistiheyttä tummalla alustalla (89%). Tämä arvo on >10 kertaa suurempi kuin mtDNA: n vastaava arvo , mikä on sopusoinnussa sen ajatuksen kanssa, että valinta ohjaa fenotyyppisiä eroja. Tätä lähestymistapaa hyödyntävien suurempiin otoksiin perustuvien tulevien tutkimusten avulla voimme arvioida valinnan suuruutta migraatio–valinta-tasapainon malleista.

toiseksi kaikki neljä nonynyymistä substituutiota, jotka osoittavat yhteyden Turkin väriin, aiheuttavat muutoksen aminohappovarauksessa. Kolmessa ensimmäisessä aminohappopaikassa (18, 109, 160) muutos tapahtuu positiivisesti varautuneesta arginiinista varaamattomaksi aminohapoksi. Neljännessä kohdassa (233) varaamaton glutamiini korvataan positiivisesti varautuneella histidiinillä. Lisäksi kaikki neljä mutaatiota sijaitsevat reseptorin toiminnallisesti tärkeillä alueilla, jotka todennäköisesti osallistuvat vuorovaikutuksiin muiden proteiinien kanssa. Kaksi substituutioista sijaitsee solunulkoisilla alueilla (aminohappoalueet 18 ja 109)ja kaksi solunsisäisillä alueilla (alueet 160 ja 233); mikään ei sijaitse reseptorin transmembraanisissa domeeneissa (Kuva. 3). Useat aiemmin kuvatut tummat fenotyypit jatkolokuksessa hiirellä (16) ja muilla eliöillä (21-25) johtuvat mc1r: n yksittäisistä aminohappomutaatioista, vaikka yhtäkään tässä kuvatuista mutaatioista ei ole aiemmin raportoitu. Laboratoriohiiressä tupakka (Etob) ja sombre (eso) tummentavat alleelit johtuvat mutaatioista ensimmäisissä solunsisäisissä ja ensimmäisissä solunulkoisissa domeeneissa. Etob koodaa melanokortin-1-reseptoria, joka reagoi edelleen α-melanosyyttejä stimuloivaan hormoniin, mutta on hyperaktiivinen, kun taas Eso koodaa konstitutiivisesti aktiivista reseptoria (16). Kuten Etob-alleelin Mus, melanic C. intermedius raportoitu tässä on tumma väri rajoittuu dorsum.

kolmanneksi tumma alleeli dominoi vaaleaa alleelia, mikä on sopusoinnussa hiirellä (11, 16) ja muilla eliöillä (21-25) tehtyjen Mc1r-mutaatioiden havaintojen kanssa. Laboratoriohiiressä mc1r: n funktion menetys-mutaatiot ovat resessiivisiä ja johtavat vaaleaan väriin, kun taas funktion arvon nousu-alleelit ovat dominoivia ja johtavat tummaan väriin (16). Kaikki Pinakaattipaikalla havaitut heterotsygootit hiiret ovat tummia, joissa on sitoutumattomia karvoja ja fenotyypiltään samanlaisia kuin homotsygoottiset tummat hiiret.

lopuksi mc1r-alleeleilla havaittu nukleotidivaihtelu Pinakaattipaikasta viittaa positiivisen valinnan viimeaikaiseen vaikutukseen. Kolmetoista polymorfista paikkaa ovat vaihtelevia vaaleiden haplotyyppien joukossa, kun taas tummien haplotyyppien joukossa on vain yksi muuttuja (Taulukko 1). Varianttien ja invarianttien paikkojen suhde vaihtelee huomattavasti tummien ja vaaleiden alleelien välillä (1/953 ja 13/941, Fisherin tarkka testi, p < 0,01). Nukleotidien keskimääräinen diversiteetti kevyissä alleeleissa (π = 0.21%) on >10 kertaa suurempi kuin tummien alleelien nukleotididiversiteetti (π = 0, 01%). Tummien Mc1r-alleelien vähenevä vaihtelu on odotettavissa oleva kuvio, jos valinta on äskettäin korjannut adaptiivisen substituution (26-28). Yksittäinen Hiljainen kohta (nukleotidi 633) on täysin yhteydessä epätasapainossa kaikkien tummien eläinten aminohapposubstituutioiden kanssa; Tämä kuvio on yhdenmukainen tämän hiljaisen kohdan geneettisen liftaamisen kanssa valitussa haplotyypissä. Kahdessa neutraaliuden vakiotestissä (29, 30) ei kuitenkaan havaita mc1r: n valikoitumista Pinakaattipopulaatiossa, joko kokonaisnäytteessä tai alapopulaatioissa vaalealla tai tummalla substraatilla. McDonald-Kreitman-testissä (29) verrataan synonyymien ja lajien sisäisten ja niiden välisten nononyymisten muutosten suhdetta; tässä suhdeluku muuttuu vain hieman niiden neljän aminohapon substituutioiden vaikutuksesta, jotka erottavat vaalean ja tumman Mc1r-alleelin. HKA-testissä (30) verrataan lajien sisäistä ja välistä vaihtelua kahteen eri geeniin (tässä tapauksessa Mc1r ja mtDNA).; mc1r: n nukleotidivaihtelu ei kuitenkaan vähene merkittävästi edes tumman substraatin alapopulaatiossa Mc1r-heterotsygoottien esiintymisen vuoksi.

aminohappokohtien 18, 109, 160 ja 233 täydellisen yhdistymishäiriön vuoksi (Taulukko 1) meidän tietojemme perusteella ei voida määrittää näiden kohtien suhteellista osuutta havaittuihin värieroihin, eivätkä ne sulje pois sitä mahdollisuutta, että jokin linkitetty geeni olisi vastuussa havaituista fenotyyppisistä eroista. Jälkimmäinen mahdollisuus vaikuttaa epätodennäköiseltä edellä kuvatuista syistä ja myös siksi, että yksikään ehdokas pigmenttigeeneistä ei ole läheisessä yhteydessä Mc1r: ään sen paremmin ihmisillä kuin Mus: llakaan. Laboratoriohiiressä mc1r: n yksittäiset aminohappomuutokset riittävät tuottamaan tumman värin (16). Funktionaalisia tutkimuksia, joissa käytetään Mc1r-konstruktioita in vitro-ekspressiojärjestelmässä, voidaan käyttää mittaamaan neljän mutaation suhteellista vaikutusta reseptorin aktivoitumiseen. CAMP-määritysten alustavat tulokset osoittavat, että tumma alleeli koodaa hyperaktiivista reseptoria suhteessa vaaleaan alleeliin, mikä tukee voimakkaasti Mc1r: n roolia havaituissa fenotyyppisissä eroissa (H. E. H., H. Fujino, J. Regan ja M. W. N., julkaisemattomat tiedot). Käyttämällä tätä lähestymistapaa konstruktioilla, jotka sisältävät jokaisen neljästä mutaatiosta erikseen ja yhdessä, toivomme voivamme erottaa kaksi eri mallia Mc1r-evoluutiolle: i) havaitut fenotyyppiset erot johtuvat yhdestä aminohaposta, ja muut aminohappomuunnokset ovat liittyneet valittuun kohtaan, tai ii) Havaittujen fenotyyppisten erojen aikaansaamiseksi tarvitaan kaksi tai useampia aminohappomuunnoksia (jotka toimivat additiivisesti tai epistaattisesti).

tässä esitetyt tiedot viittaavat silmiinpistävästi mc1r: n aminohappomuutoksiin tummassa fenotyypissä Pinakaattipopulaatiossa, mutta eivät Armendaris-populaatiossa. Armendariksen 40 alleelin joukossa havaittiin vain yksi Mc1r-aminohappopolymorfismi (Ala-285 → Thr); tämä muunnos esiintyi 2: ssa 24: stä alleelista vaaleilla hiirillä ja 0: ssa 16: sta alleelista tummilla hiirillä. 40 Armendaris-alleelin keskitaajuuksilla (48%) esiintyi kaksi hiljaista polymorfismia, mutta kummassakaan ei havaittu yhteyttä hiiren väriin. Itse asiassa näiden polymorfismien frekvenssit olivat hyvin samanlaisia tummilla (50%) ja vaaleilla (45%) hiirillä. Koska Nukleotidipolymorfismit mc1r-koodausalueella ja hiiren väri Armendariksessa eivät ole yhteydessä toisiinsa, on myös epätodennäköistä, että promoottorin alueella olevat puhdistamattomat kohteet olisivat vastuussa fenotyyppisistä eroista, paitsi jos sidoksen epätasapaino hajoaa erittäin nopeasti. Mc1r: n promoottorialue on hyvin tunnettu sekä hiirillä (31) että ihmisillä (32), ja se sijaitsee ≈500 bp alkupään kodonista yläjuoksulla. Yleensä nukleotidivaihtelut mc1r: n koodausalueella Armendariksen (sekä vaalea että tumma), Portalin ja Avran laakson näytteissä olivat poikkeuksellisia. Nukleotididiversiteettitasot vaihtelivat 0, 11-0, 19%: n välillä, mikä on sama kuin Pinakaattipaikasta havaituilla valoeläimillä.

se, että Armendariksen melaanihiirissä (Arg-18 → Cys, Arg-109 → Trp, Arg-160 → Trp ja Gln-233 → His) havaitut neljä mutaatiota puuttuvat Melaanihiiristä, osoittaa, että samanlainen tumma fenotyyppi on kehittynyt itsenäisesti näissä eri laavavirroissa ja se on tapahtunut erilaisten geneettisten muutosten kautta, vaikka Armendaris-populaatioon liittyviä geenejä ei ole vielä tunnistettu. Saman fenotyypin erillinen molekyyliperusta kahdessa eri populaatiossa tarjoaa vahvaa näyttöä konvergentista fenotyyppisestä evoluutiosta suhteellisen lyhyellä aikavälillä; molemmat laavavirrat ovat alle miljoona vuotta vanhoja.

vaikka Mc1r: n tummentumia on havaittu muillakin lajeilla (16, 21-25), muutosten ekologista Kontekstia ei joko ymmärretä (24, 25) tai se johtuu keinotekoisesta valinnasta (22, 23). Pöllöt ovat tärkeitä taskuhiirien saalistajia (8, 9), ja niiden tiedetään erottavan vaaleat ja tummat hiiret toisistaan vaalealla ja tummalla alustalla, vaikka ne etsisivät ravintoa yöllä heikon valon voimakkuudella (10). On siis todennäköistä, että pöllöillä on tärkeä rooli värityksen peittelyssä. Tässä raportoidut tiedot ovat harvinainen esimerkki molekyylimuutoksista, jotka ovat sopeutumisen taustalla yksinkertaisessa ja luonnollisessa ekologisessa ympäristössä.