ポケットマウス

における適応メラニズムの遺伝的基礎結果と考察

マウスは、明暗の両方の基質を含む四つの地理的領域の六つの部位から収集された（図。 1A）。 すべての場合において、我々は、基板の色と背腹の色との間に密接な一致を観察した（図10）。 1B）。 PortalとAvra Valleyからのマウスは均一に光であった。 ピナカテサイトからの29匹のマウスのうち、暗い溶岩に捕獲された16匹の18匹（89％）が暗いのに対し、明るい色の岩に捕獲された10匹の11匹（91％）が光であった（Fig. 1B）。 同様に、Armendarisからの20匹のマウスのうち、暗い溶岩に捕獲された7匹の8匹のマウス（88％）は暗く、明るい色の岩に捕獲された12匹のマウス（100％）はすべて光であった。 これらの集団では、色の表現型の変化は、定量的ではなく、主に離散的であった;すべてのマウスは、背側の個々の毛にフェオメラニンの終末下バンドの有無に基づいて、光またはメラニックとして容易に分類された。

原理的には、目的の表現型の根底にある遺伝子を同定するためのいくつかのアプローチが可能である。 しかし、C. intermediusは飼育下で繁殖することが困難であるため、十字架に依存するアプローチは実用的ではありません。 代わりに、我々は観察された表現型の違いに関与する突然変異を同定するために候補遺伝子との関連研究を使用した。 Agouti遺伝子座からのイントロンDNAの約1.5kbは、すべてのサイトからの代表者を含む36マウスで配列決定されました。 実験室のマウスの黒と黄褐色の変異は、非バンド毛と暗い背側を生成し、背側プロモーター、スタートコドンの≥15kb5’を破壊する挿入によって引き起こされる（15）。 我々は、C.intermediusの同様の変異は、中程度のゲノム距離（変異の年齢に応じて0-50kb）にわたって中性部位で多型へのリンケージを介して検出される可能性がある 我々は16一塩基多型と中間周波数でいくつかを含む5挿入/削除多型を観察した;どれもコートの色との関連性を示しなかった。 この関連性の欠如については、2つの可能な説明があります: いずれかのagoutiは、観察された表現型の違いの主要な決定要因ではない、またはagoutiが関与しているが、我々が調査したサイトと機能サイト（複数可）の間にほと

Mc1R遺伝子全体（954bp）の両方の対立遺伝子を図69のマウスで配列決定した。 1. 二十から四一塩基多型が観察された：15は同義であり、9はnonsynonymousであった。 Pinacate局所性（Arg-18→Cys、Arg-109→Trp、Arg-160→Trp、およびGln-233→His）から暗いマウスでのみ観察された。 これらの四つのアミノ酸変異体は、ピナセートダークマウスの間で高周波（82％）で存在し、互いに完全な連鎖不平衡にあった。 他のすべてのMc1Rアミノ酸多型は、低頻度で存在していたし、マウスの色との関連を示さなかった。 ピナカート部位からの光およびメラニックマウス間のMc1Rヌクレオチド変異の分布を表1に示す。

いくつかの観察は、これらの四つのアミノ酸変異（サイト18、109、160、および233）の一つ以上がピナカート集団で見られる明暗表現型の違いに関与していることを示唆している。 第一に、遺伝子型と表現型との間に完全な関連性がある（表2）。 類別交配のない単一の汎神論集団では、遺伝子または緊密に連結された遺伝子が表現型を担当しない限り、遺伝子型と表現型の変化との関連は予想外である。 しかし、集団構造は、遺伝子が表現型の違い（に関与していない場合でも、偽の関連付けを生成することができます19）。 我々は、ピナカート局所性（n=29）からすべてのマウスでミトコンドリアCOIIIとND3遺伝子を配列決定することによって、この仮説をテストしました。 これらのミトコンドリア遺伝子の系統発生は、明色マウスと暗色マウスのハプロタイプが混在していることを示しており、隠された集団構造の証拠を提供していない(図1)。 2). Chaetodipusのほとんどの遺伝子の流れは、おそらく男性（20）によって媒介され、ミトコンドリアゲノムは、常染色体の有効な人口サイズの四分の一の有効な大きさを持っているので、ミトコンドリアDNAは、人口構造を検出するための敏感なマーカーを提供します。 これらのｍｔＤＮＡデータはまた、暗／明の表現型の相違についての選択のさらなる証拠を提供する。 ピナカート集団では、光基質上の暗いマウスの頻度（9％）と暗い基質上の暗いマウスの頻度（89％）は、これら二つの隣接する領域間の表現型の違いのための集団分化の程度を推定するために使用することができる。 この値は、mtDNAの対応する値の10倍の>であり、選択が表現型の違いを駆動しているという考えと一致しています。 このアプローチを用いたより大きなサンプルに基づく今後の研究は、移行–選択バランスのモデルから選択の大きさを推定することを可能にする。

第二に、コートの色との関連を示す四つのnonsynonymous置換はすべて、アミノ酸電荷の変化を引き起こす。 最初の三つのアミノ酸部位（18、109、160）では、変化は正に荷電したアルギニンから荷電していないアミノ酸への変化である。 第四の部位（233）では、荷電していないグルタミンが正に荷電したヒスチジンに置き換えられる。 さらに、4つの突然変異はすべて、他のタンパク質との相互作用に関与する可能性が高い受容体の機能的に重要な領域に位置する。 置換のうちの二つは細胞外領域（アミノ酸部位18および109）に位置し、二つは細胞内領域（部位160および233）に位置する。; いずれも受容体の膜貫通ドメインに位置していない（Fig. 3). マウス（16）および他の生物（21-25）の拡張遺伝子座で以前に記載された暗い表現型の数は、ここで記載された変異のいずれも以前に報告されていないが、MC1R 実験室のマウスでは、タバコ（Etob）と陰鬱（Eso）黒ずみ対立遺伝子は、それぞれ、最初の細胞内および最初の細胞外ドメインの変異によって引き起こされます。 Etobはメラノコルチン-1受容体をコードしており、α-メラノサイト刺激ホルモンに応答しますが、過活動性ですが、Esoは構成的に活性な受容体をコードしています(16)。 ＭｕｓのＥｔｏｂ対立遺伝子と同様に，ここで報告されたメラニックＣ．ｉｎｔｅｒｍｅｄｉｕｓは背側に限定された暗い色を持っている。

第三に、暗い対立遺伝子は、マウス（11、16）および他の生物（21-25）におけるMc1R変異の観察と一致して、光対立遺伝子よりも支配的である。 実験室のマウスでは、Mc1Rの機能喪失突然変異は劣性であり、明るい色になりますが、機能獲得対立遺伝子は支配的であり、暗い色になります（16）。 ピナカート部位で観察されたすべてのヘテロ接合マウスは、非バンド毛と暗いであり、ホモ接合暗いマウスに表現型的に類似しています。

最後に、ピナカート部位からMc1R対立遺伝子の間で観察されたヌクレオチド変化のパターンは、陽性選択の最近の作用を示唆している。 軽質ハプロタイプの中では13個の多型部位が可変であるのに対し、暗質ハプロタイプの中では1個の部位のみが可変である（表1）。 不変量部位に対する変異体の比率は、暗および明の対立遺伝子の間で有意に異なる（1/953および13/941、Fisherの正確な検定、P<0.01）。 光対立遺伝子間のヌクレオチド多様性の平均レベル（λ=0。21%)は>暗対立遺伝子間のヌクレオチド多様性の10倍である(λ=0.01%)。 暗いMc1R対立遺伝子の間で見られる減少した変動は、選択が最近適応置換を固定した場合に予想されるパターンである（26-28）。 単一のサイレントサイト（ヌクレオチド633）は、すべての暗い動物に存在するアミノ酸置換との完全なリンケージ不平衡であり、このパターンは、選択されたハプロタイプ上のこのサイレントサイトの遺伝的ヒッチハイクと一致している。 しかし、中立性の二つの標準的なテスト（29、30）は、全サンプルまたは光または暗い基板上の亜集団のいずれかで、ピナケート集団におけるMc1Rの選択を検出 McDonald-Kreitman検定（29）は、種内および種間の同義と非同義の変化の比を比較する；ここでは、この比は、明暗のMc1R対立遺伝子を区別する4つのアミノ酸置換によ ＨＫＡ試験（３ ０）は、２つの異なる遺伝子（この例では、Ｍｃ１ＲおよびｍＴＤＮＡ）について、種内および種間の変異を比較する。; しかし、Mc1Rにおけるヌクレオチド変動のレベルは、Mc1Rヘテロ接合体の存在のために、暗い基質上の亜集団であっても有意に減少しない。

アミノ酸部位18、109、160、および233（表1）の間の完全な連鎖不平衡のために、我々のデータは、観察された色の違いに対するこれらの部位のそれぞれの相対的な寄与を決定することはできず、また、連結された遺伝子が観察された表現型の違いに関与している可能性を排除することもできない。 後者の可能性は、上記の理由のために、また、候補色素沈着遺伝子がヒトまたはMusのいずれかでMc1Rに密接にリンクされていないため、そうではない 実験室のマウスでは、Mc1Rでの単一のアミノ酸の変化は、暗い色（を生成するのに十分である16）。 In vitro発現系におけるMc1R構築物を用いた機能的研究は、受容体の活性化に対する四つの変異の相対的効果を測定するために使用することができ CAMPアッセイからの予備的な結果は、暗い対立遺伝子が観察された表現型の違いにおけるMc1Rの役割のための強力なサポートを提供し、光対立遺伝子に このアプローチを使用して、4つの突然変異のそれぞれを個別に組み合わせて含む構築物で、Mc1Rの進化のための2つの異なるモデルを区別するこ: (i)単一のアミノ酸の相違は観察された表現型の相違に責任があり、他のアミノ酸の変形は選択された場所とヒッチハイクしました、または(ii)観察された表現型の相違を作り出すために2つ以上のアミノ酸の変形(付加的にまたはepistatically機能する)は必要です。

驚くべきことに、ここで提示されたデータは、Pinacate集団の暗い表現型でMc1Rのアミノ酸変化を関与させるが、Armendaris集団では関与させない。 唯一のMc1Rアミノ酸多型（Ala-285→Thr）は、Armendarisから40対立遺伝子の間で観察されました; この変異体は、光マウスでは2の24対立遺伝子と暗いマウスでは0の16対立遺伝子に存在していた。 二つのサイレント多型は、中間周波数（48％）40Armendaris対立遺伝子の間で存在していたが、どちらもマウスの色との関連を示しませんでした。 実際には、これらの多型の頻度は、暗い（50％）と光（45％）マウスの間で非常に類似していた。 Mc1Rコード領域のヌクレオチド多型とArmendarisでマウスの色の間の関連付けの欠如はまた、リンケージ不平衡が非常に急速に減衰しない限り、プロモーター領域の調査されていないサイトは、表現型の違いのために責任があることはほとんどありません。 Mc1Rのプロモーター領域は、マウス（31）とヒト（32）の両方でよく特徴付けられており、それは開始コドンの上流≥500bpに位置しています。 一般的には、アルメンダリス（光と闇の両方）、ポータル、およびアブラ谷からのサンプルにおけるMc1Rのコード領域におけるヌクレオチド変化のパターンは、unexceptional ヌクレオチドの多様性のレベルは0.11％から0.19％の範囲であり、ピナカートサイトからの軽い動物のために見られる値と同様であった。

メラニックピナカートマウス（Arg-18→Cys、Arg-109→Trp、Arg-160→Trp、Gln-233→His）に見られる四つの変異がアルメンダリスのメラニックマウスに存在しないという事実は、同様の暗い表現型がこれらの異なる溶岩流上で独立して進化しており、異なる遺伝的変化によって進化していることを示しているが、アルメンダリス集団に関与する遺伝子はまだ同定されていない。 二つの異なる集団における同じ表現型のための明確な分子基盤は、比較的短いタイムスケールで収束表現型進化のための強力な証拠を提供します。

Mc1R黒化変異は他の種で同定されている（16、21-25）が、変化の生態学的文脈は理解されていない（24、25）か、人工的な選択によるものである（22、23）。 フクロウはポケットマウス（8、9）の重要な捕食者であり、低光強度（10）の下で夜に採餌する場合でも、明暗基板上の明暗マウスを区別することが知られて したがって、フクロウは着色を隠すために選択する上で重要な役割を果たす可能性が高い。 ここで報告されたデータは、単純で自然な生態学的設定における適応の基礎となる分子変化のまれな例を提示する。