Az adaptív melanizmus genetikai alapja zseb egerekben

eredmények és megbeszélések

egereket gyűjtöttek hat helyről négy földrajzi régióban, beleértve mind a világos, mind a sötét szubsztrátokat (ábra. 1A). Minden esetben szoros egyezést figyeltünk meg a szubsztrát színe és a hátsó pelage színe között (ábra. 1B). A Portalból és az Avra-völgyből származó egerek egyenletesen könnyűek voltak. A Pinacate helyről származó 29 egér közül 16 a sötét láván fogott 18 egérből (89%) sötét volt, míg a világos színű sziklákon fogott 10 11 egérből (91%) világos volt (ábra. 1B). Hasonlóképpen, a 20 egerek Armendaris, 7 8 egerek (88%) fogott a sötét láva sötét volt, míg mind a 12 egerek (100%) fogott a világos színű sziklák voltak világos. Ezekben a populációkban a szín fenotípusos változása nagyrészt diszkrét volt, nem pedig kvantitatív; az összes egeret könnyen besorolták fénynek vagy melanikusnak a feomelanin szubterminális sávjának jelenléte vagy hiánya alapján a hátsó szőrszálakon.

elvileg számos megközelítés lehetséges az érdekes fenotípus alapjául szolgáló gének azonosítására. Azonban C. az intermediusokat fogságban nehéz tenyészteni, ezért a keresztekre támaszkodó megközelítés nem praktikus. Ehelyett asszociációs vizsgálatokat használtunk jelölt génekkel a megfigyelt fenotípusos különbségekért felelős mutációk azonosítására. Az agouti lókuszból körülbelül 1,5 kb intronikus DNS-t szekvenáltunk 36 egérben, beleértve az összes hely képviselőit. A laboratóriumi egérben a fekete-barnás mutáció sötét hátsót eredményez, nem kötözött szőrszálakkal, amelyet a kezdő kodon (15 kb 5′) hátsó promóterét megzavaró behelyezés okoz. Arra a következtetésre jutottunk, hogy a C. intermediusban hasonló mutáció mutatható ki a semleges helyeken közepes genomiális távolságokon (0-50 kb, a mutáció korától függően) lévő polimorfizmusokkal való kapcsolat révén. 16 egy nukleotid polimorfizmust és 5 inszerciós/deléciós polimorfizmust figyeltünk meg, köztük több közbenső frekvencián; egyik sem mutatott összefüggést a kabát színével. Az asszociáció hiányának két lehetséges magyarázata van: Vagy az agouti nem a megfigyelt fenotípusos különbségek fő meghatározója, vagy az agouti érintett, de a vizsgált helyek és a funkcionális hely(ek) között alig vagy egyáltalán nincs egyensúlyhiány.

a teljes Mc1r gén mindkét allélját (954 bp) szekvenáltuk az ábrán látható 69 egérben. 1. Huszonnégy egy nukleotid polimorfizmust figyeltek meg: 15 szinonim, 9 pedig nem szinonim volt. A kilenc aminosav-polimorfizmus közül négyet csak a Pinacate helységből származó sötét egereknél figyeltek meg (Arg-18 db Cys, Arg-109 dB TRP, Arg-160 db TRP és Gln-233 db his). Ez a négy aminosav variáns nagy gyakorisággal (82%) volt jelen a Pinacate sötét egerek között, és teljes egyensúlyhiányban voltak egymással. Az összes többi Mc1r aminosav polimorfizmus alacsony frekvencián volt jelen, és nem mutatott összefüggést az egér színével. Az Mc1r nukleotid variáció eloszlását a Pinacate helyről származó fény-és melanikus egerek között az 1.táblázat mutatja.

számos megfigyelés arra utal, hogy a négy aminosav-mutáció közül egy vagy több (18., 109., 160. és 233. hely) felelős a világos/sötét fenotípusos különbségekért a Pinakát populációban. Először is, tökéletes kapcsolat van a genotípus és a fenotípus között (2.táblázat). Egyetlen panmiktikus populációban, ahol nincs assortatív párzás, a genotípusos és fenotípusos variáció közötti összefüggés váratlan, kivéve, ha a gén vagy egy szorosan kapcsolódó gén felelős a fenotípusért. A populáció szerkezete azonban hamis asszociációt hozhat létre akkor is, ha egy gén nem vesz részt a fenotípusos különbségekben (19). Ezt a hipotézist teszteltük a mitokondriális COIII és ND3 gének szekvenálásával minden egérben a Pinacate lokalitásból (n = 29). Ezeknek a mitokondriális géneknek a filogenitása azt mutatja, hogy a világos és sötét egerek haplotípusai összekeverednek, ami nem bizonyítja a rejtett populáció szerkezetét (ábra. 2). Mivel a Chaetodipusban a legtöbb génáramlást valószínűleg férfiak közvetítik (20), és mivel a mitokondriális genom hatékony populációmérete egynegyede az autoszómák tényleges méretének, a mitokondriális DNS érzékeny markert biztosít a populáció szerkezetének kimutatására. Ezek az mtDNS-adatok további bizonyítékot szolgáltatnak a sötét/világos fenotípusos különbségek szelekciójára is. A Pinacate populációban a sötét egerek gyakorisága a világos szubsztrátumon (9%) és a sötét egerek gyakorisága a sötét szubsztrátumon (89%) felhasználható a populáció differenciálódásának mértékének becslésére a két szomszédos terület fenotípusos különbségei miatt . Ez az érték >10-szer nagyobb , mint az mtDNS megfelelő értéke, összhangban azzal az elképzeléssel, hogy a szelekció vezérli a fenotípusos különbségeket. Az ezt a megközelítést alkalmazó nagyobb mintákon alapuló jövőbeli tanulmányok lehetővé teszik számunkra, hogy megbecsüljük a kiválasztás nagyságát a migráció–szelekciós egyensúly modelljeiből.

másodszor, mind a négy nem szinonim szubsztitúció, amely összefüggést mutat a kabát színével, megváltoztatja az aminosav töltését. Az első három aminosav-helyen (18, 109, 160) a változás pozitív töltésű argininről töltetlen aminosavra változik. A negyedik helyen (233) egy töltetlen glutamint pozitív töltésű hisztidinnel helyettesítünk. Ezenkívül mind a négy mutáció a receptor funkcionálisan fontos régióiban található, amelyek valószínűleg részt vesznek más fehérjékkel való kölcsönhatásban. A szubsztitúciók közül kettő az extracelluláris régiókban található (18. és 109. aminosav-hely), kettő pedig az intracelluláris régiókban található (160. és 233. hely); egyik sem található a receptor transzmembrán doménjeiben (ábra. 3). Számos korábban leírt sötét fenotípus az egér (16) és más organizmusok (21-25) kiterjesztési lokuszában az MC1R egyetlen aminosav-mutációjának köszönhető, bár az itt leírt mutációk egyikét sem jelentették korábban. A laboratóriumi egérben a dohány (Etob) és a sombre (Eso) sötétedő allélokat az első intracelluláris, illetve az első extracelluláris domének mutációi okozzák. Az Etob egy olyan melanokortin-1-receptort kódol, amely továbbra is reagál a blokklánc-melanocita-stimuláló hormonra, de hiperaktív, míg az Eso konstitutívan aktív receptort kódol (16). A Mus-ban található Etob allélhoz hasonlóan az itt közölt melanic C. intermedius sötét színű, a dorsumra korlátozódik.

harmadszor, a sötét allél domináns a világos allél felett, összhangban az Mc1r mutációk megfigyeléseivel az egérben (11, 16) és más organizmusokban (21-25). A laboratóriumi egérben az Mc1r-nél a funkcióvesztés mutációi recesszívek és világos színt eredményeznek, míg a funkciónövekedés alléljai dominánsak és sötét színt eredményeznek (16). A Pinacate helyén megfigyelt összes heterozigóta egér sötét, szőrzet nélküli, fenotípusosan hasonló a homozigóta sötét egerekhez.

végül a Pinacate helyről származó Mc1r allélok között megfigyelt nukleotid-variáció mintázata a pozitív szelekció közelmúltbeli hatására utal. Tizenhárom polimorf hely változó a világos haplotípusok között, míg a sötét haplotípusok között csak egy hely változó (1.táblázat). A variáns és az invariáns helyek aránya jelentősen eltér a sötét és világos allélok között (1/953 és 13/941, Fisher-féle egzakt teszt, P < 0,01). A nukleotiddiverzitás átlagos szintje a könnyű allélok között (6 = 0.21%) >10-szer nagyobb, mint a sötét allélok közötti nukleotid-sokféleség (ons = 0,01%). A sötét Mc1r allélok között megfigyelt csökkent variabilitás a várható minta, ha a szelekció nemrégiben adaptív szubsztitúciót rögzített (26-28). Egyetlen csendes hely (633 nukleotid) teljes egyensúlyhiányban van az összes sötét állatban jelen lévő aminosav-szubsztitúciókkal; ez a minta összhangban van ennek a csendes helynek a genetikai stoppolásával a kiválasztott haplotípuson. Két standard semlegességi teszt (29, 30) azonban nem képes kimutatni a szelekciót az Mc1r-n a Pinacate populációban, akár a teljes mintában, akár a világos vagy sötét szubsztrátumon lévő alcsoportokban. A McDonald–Kreitman teszt (29) összehasonlítja a szinonim és a nem szinonim változások arányát a fajokon belül és a fajok között; itt ezt az arányt csak kis mértékben változtatja meg a négy aminosav-szubsztitúció, amelyek megkülönböztetik a világos és a sötét Mc1r allélokat. A HKA teszt (30) összehasonlítja a fajokon belüli és a fajok közötti variációt két különböző gén esetében (ebben az esetben Mc1r és mtDNS); az Mc1r nukleotid-variabilitásának szintje azonban még a sötét szubsztráton lévő szubpopulációban sem csökken jelentősen, az Mc1r heterozigóták jelenléte miatt.

a 18., 109., 160. és 233. aminosav-helyek közötti teljes egyensúlyhiány miatt (1. táblázat) adataink nem teszik lehetővé, hogy meghatározzuk az egyes helyek relatív hozzájárulását a megfigyelt színkülönbségekhez, és nem zárják ki annak lehetőségét sem, hogy egy kapcsolt gén felelős a megfigyelt fenotípusos különbségekért. Ez utóbbi lehetőség valószínűtlennek tűnik a fent leírt okok miatt, valamint azért is, mert egyetlen jelölt pigmentációs gén sem kapcsolódik szorosan az Mc1r-hez sem emberekben, sem Mus-ban. A laboratóriumi egérben az Mc1r-nél egyetlen aminosav-változás elegendő a sötét szín előállításához (16). Az Mc1r konstrukciókat in vitro expressziós rendszerben alkalmazó funkcionális vizsgálatok felhasználhatók a négy mutáció relatív hatásának mérésére a receptor aktiválására. A cAMP vizsgálatok előzetes eredményei azt mutatják, hogy a sötét allél hiperaktív receptort kódol a fény allélhoz képest, ami erősen alátámasztja az Mc1r szerepét a megfigyelt fenotípusos különbségekben (H. E. H., H. Fujino, J. Regan és M. W. N., nem publikált adatok). Ezt a megközelítést alkalmazva olyan konstrukciókkal, amelyek mind a négy mutációt külön-külön, mind kombinációban tartalmazzák, reméljük, hogy különbséget tudunk tenni az Mc1r evolúciójának két különböző modellje között: (i) egyetlen aminosav-különbség felelős a megfigyelt fenotípusos különbségekért, és a többi aminosav-variáns stoppolt a kiválasztott helyre, vagy (ii) két vagy több aminosav-variánsra van szükség (additív vagy episztatikusan hatva) a megfigyelt fenotípusos különbségek előállításához.

meglepő módon az itt bemutatott adatok az MC1R aminosav-változásait vonják maguk után a sötét fenotípusban a Pinacate populációban, de nem az Armendaris populációban. Csak egy Mc1r aminosav-polimorfizmust (Ala-285 ons Thr) figyeltek meg az Armendaris 40 allélja között; ez a változat világos egerekben 2-24 allélban, sötét egerekben pedig 0-16 allélban volt jelen. Két csendes polimorfizmus volt jelen közbenső frekvenciákon (48%) a 40 Armendaris allél között, de egyik sem mutatott összefüggést az egér színével. Valójában ezeknek a polimorfizmusoknak a gyakorisága nagyon hasonló volt a sötét (50%) és a világos (45%) egereknél. Az MC1R kódoló régió nukleotidpolimorfizmusai és az Armendaris egérszíne közötti összefüggés hiánya szintén valószínűtlenné teszi, hogy a promoter régió nem feldolgozott helyei felelősek a fenotípusos különbségekért, kivéve, ha a kapcsolat egyensúlyhiánya rendkívül gyorsan lebomlik. Az Mc1r promoter régiója jól jellemezhető mind egerekben (31), mind emberekben (32), és 500 bp-re fekszik a start kodon előtt. Általánosságban elmondható, hogy az Mc1r kódoló régiójának nukleotidváltozási mintái az Armendaris (világos és sötét), a Portal és az Avra Valley mintáiban nem voltak kivételesek. A nukleotiddiverzitás szintje 0,11% – tól 0,19% – ig terjedt, hasonlóan a Pinacate helyről származó könnyű állatok értékéhez.

az a tény, hogy a Melanic Pinacate egerekben (Arg-18 Kb Cys, Arg-109 = TRP, Arg-160 = TRP és Gln-233 = his) észlelt négy mutáció hiányzik az Armendaris-ból származó melanic egerekben, azt jelzi, hogy egy hasonló sötét fenotípus egymástól függetlenül fejlődött ki ezeken a különböző lávafolyamokon, és ezt különböző genetikai változások révén tette meg, bár az Armendaris populációban részt vevő gén(ek) et még nem azonosították. Ugyanazon fenotípus különálló molekuláris alapja két különböző populációban erős bizonyítékot szolgáltat a konvergens fenotípusos evolúcióra viszonylag rövid idő alatt; mindkét lávaáramlás kevesebb, mint egymillió éves.

míg az Mc1r sötétítő mutációkat más fajokban azonosították (16, 21-25), a változások ökológiai kontextusa vagy nem ismert (24, 25), vagy a mesterséges szelekció miatt (22, 23). A baglyok a zsebegerek fontos ragadozói (8, 9), és ismert, hogy különbséget tesznek a világos és sötét egerek között a világos és sötét szubsztrátumokon, még akkor is, ha éjszaka alacsony fényintenzitás mellett táplálkoznak (10). Így valószínű, hogy a baglyok fontos szerepet játszanak a színezés elrejtésének kiválasztásában. Az itt közölt adatok ritka példát mutatnak az alkalmazkodás alapjául szolgáló molekuláris változásokra egy egyszerű és természetes ökológiai környezetben.