Det genetiske grunnlaget for adaptiv melanisme i lommemus

Resultater Og Diskusjon

Mus ble samlet fra seks steder i fire geografiske regioner, inkludert både lyse og mørke substrater (Fig. 1A). I alle tilfeller observert vi en nær kamp mellom substratfarge og fargen på dorsal pelage (Fig. 1B). Mus fra Portal Og Avra Valley var jevnt lys. Av De 29 musene Fra Pinacate-området var 16 av 18 mus (89%) fanget på den mørke lava mørke, mens 10 av 11 mus (91%) fanget på de lyse bergarter var lyse (Fig . 1B). Tilsvarende av De 20 musene Fra Armendaris var 7 av 8 mus (88%) fanget på den mørke lava mørke, mens alle 12 mus (100%) fanget på de lyse bergarter var lyse. I disse populasjonene var fenotypisk variasjon i farge i stor grad diskret snarere enn kvantitativ; alle mus ble lett klassifisert som lys eller melanisk basert på nærvær eller fravær av et subterminalt bånd av feomelanin på individuelle hår på dorsum.

i prinsippet er flere tilnærminger mulig for å identifisere genene som ligger til grunn for en fenotype av interesse. Men C. intermedius er vanskelig å avle i fangenskap, og derfor er enhver tilnærming som er avhengig av kryss ikke praktisk. I stedet brukte vi assosiasjonsstudier med kandidatgener for å identifisere mutasjoner som er ansvarlige for de observerte fenotypiske forskjellene. Omtrent 1,5 kb intronisk DNA fra agouti locus ble sekvensert i 36 mus, inkludert representanter fra alle steder. Svart-og-brun-mutasjonen i laboratoriemusen produserer en mørk dorsum med unbanded hår og er forårsaket av en innsetting som forstyrrer dorsalpromotoren, ≈15 kb 5 ‘ av startkodonet (15). Vi begrunnet at en lignende mutasjon I C. intermedius kan påvises gjennom kobling til polymorfismer på nøytrale steder over moderate genomiske avstander (0-50 kb, avhengig av mutasjonens alder). Vi observerte 16 single-nukleotid polymorfismer og 5 innsetting / sletting polymorfismer, inkludert flere ved mellomliggende frekvenser; ingen viste en tilknytning til pelsfarge. Det er to mulige forklaringer på denne mangelen på tilknytning: Enten agouti er ikke en hovedbestemmelse av de observerte fenotypiske forskjellene, eller agouti er involvert, men det er liten eller ingen sammenheng ulikevekt mellom stedene vi undersøkte og de funksjonelle områdene.

Begge alleler av Hele Mc1r-genet (954 bp) ble sekvensert i de 69 musene I Fig. 1. Tjuefire single-nukleotid polymorfismer ble observert: 15 var synonymt og 9 var nonsynonymous. Fire av de ni aminosyrepolymorfismene ble kun observert i mørke mus fra Pinacate-lokaliteten (Arg-18 → Cys, Arg-109 → Trp,Arg-160 → Trp og Gln-233 → His). Disse fire aminosyrevariantene var tilstede ved høy frekvens (82%) blant De Pinacate mørke musene og var i fullstendig sammenheng ulikevekt med hverandre. Alle Andre Mc1r aminosyrepolymorfismer var tilstede ved lave frekvenser og viste ingen sammenheng med musefarge. Fordelingen Av Mc1r nukleotidvariasjon blant lys-og melanmus fra Pinacatstedet er vist I Tabell 1.

Flere observasjoner tyder på at en eller flere av disse fire aminosyremutasjonene (steder 18, 109, 160 og 233) er ansvarlige for de lyse/mørke fenotypiske forskjellene som er sett i Pinacatpopulasjonen. For det første er det en perfekt sammenheng mellom genotype og fenotype (Tabell 2). I en enkelt panmiktisk populasjon uten assortativ parring, er en sammenheng mellom genotypisk og fenotypisk variasjon uventet med mindre genet eller et tett knyttet gen er ansvarlig for fenotypen. Befolkningsstruktur kan imidlertid gi en falsk tilknytning selv når et gen ikke er involvert i fenotypiske forskjeller (19). Vi testet denne hypotesen ved å sekvensere mitokondrielle COIII-og ND3-gener i alle mus fra Pinacate-lokaliteten (n = 29). En fylogeni av disse mitokondrielle gener viser at haplotyper fra lyse og mørke mus er blandet, og gir ingen bevis for skjult befolkningsstruktur (Fig. 2). Fordi de fleste genflyt i Chaetodipus sannsynligvis er mediert av menn (20) og fordi mitokondrielt genom har en effektiv populasjonsstørrelse en fjerdedel av den effektive størrelsen på autosomer, gir mitokondrielt DNA en sensitiv markør for å oppdage populasjonsstruktur. Disse mtDNA-dataene gir også ytterligere bevis på seleksjon på de mørke/lette fenotypiske forskjellene. I Pinacatpopulasjonen kan frekvensen av mørke mus på lys substrat (9%) og frekvensen av mørke mus på mørkt substrat (89%) brukes til å estimere graden av populasjonsdifferensiering for fenotypiske forskjeller mellom disse to tilstøtende områdene . Denne verdien er > 10 ganger større enn den tilsvarende verdien for mtDNA, i samsvar med ideen om at utvalget driver fenotypiske forskjeller. Fremtidige studier basert på større prøver ved hjelp av denne tilnærmingen vil gjøre oss i stand til å anslå omfanget av utvalget fra modeller av migrasjon-utvalg balanse.

For det andre, alle fire nonsynonymous substitusjoner som viser en tilknytning til pelsfarge, forårsaker en endring i aminosyreladning. På de tre første aminosyresidene (18, 109, 160) er forandringen fra et positivt ladet arginin til en uladet aminosyre. På det fjerde stedet (233) erstattes et uladet glutamin med et positivt ladet histidin. I tillegg er alle fire mutasjoner lokalisert i funksjonelt viktige regioner av reseptoren som sannsynligvis vil være involvert i interaksjoner med andre proteiner. To av substitusjonene er lokalisert i ekstracellulære regioner (aminosyreplasser 18 og 109) og to er lokalisert i intracellulære regioner (steder 160 og 233); ingen er lokalisert i transmembrane domener av reseptoren (Fig. 3). En rekke tidligere beskrevne mørke fenotyper ved forlengelsesstedet i musen (16) og andre organismer (21-25) skyldes enkle aminosyremutasjoner I MC1R, selv om ingen av mutasjonene beskrevet her tidligere er rapportert. I laboratoriemusen er tobakk (etob) og dystre (Eso) mørkere alleler forårsaket av mutasjoner i henholdsvis de første intracellulære og første ekstracellulære domenene. Etob koder for en melanokortin-1-reseptor som fortsatt reagerer på α-melanocyttstimulerende hormon, men er hyperaktiv, Mens Eso koder for en konstitutivt aktiv reseptor (16). Som Etob allelet I Mus, melanic c. intermedius rapportert her har mørk farge begrenset til dorsum.

for Det Tredje er det mørke allelet dominerende over lysallelet, i samsvar med observasjoner Av Mc1r-mutasjoner i musen (11, 16) og andre organismer (21-25). I laboratoriemusen er tap av funksjon mutasjoner Ved Mc1r recessive og resulterer i lys farge, mens gain-of-function alleler er dominerende og resulterer i mørk farge (16). Alle heterozygote mus observert På Pinacatstedet er mørke med ubandede hår og er fenotypisk lik de homozygote mørke musene.

endelig antyder mønsteret av nukleotidvariasjon observert Blant Mc1r-alleler Fra Pinacate-området den siste virkningen av positivt utvalg. Tretten polymorfe steder er variable blant de lette haplotypene, mens bare ett sted er variabelt blant de mørke haplotypene (Tabell 1). Forholdet mellom variant og invariant er signifikant forskjellig mellom mørke og lyse alleler (1/953 og 13/941, Fishers eksakte test, P < 0,01). Gjennomsnittlig nivå av nukleotidmangfold blant lette alleler (π = 0.21%) er > 10 ganger større enn nukleotidmangfold blant mørke alleler(π = 0,01%). Den reduserte variabiliteten sett blant de mørke Mc1r-allelene er det forventede mønsteret hvis utvalget nylig har løst en adaptiv substitusjon (26-28). Et enkelt stille sted (nukleotid 633) er i fullstendig sammenkobling ulikevekt med aminosyresubstitusjoner tilstede i alle mørke dyr; dette mønsteret er konsistent med genetisk hitchhiking av dette stille stedet på den valgte haplotypen. To standard nøytralitetstester (29, 30) klarer imidlertid ikke å påvise seleksjon På Mc1r i Pinacatpopulasjonen, enten i totalprøven eller i subpopulasjonene på lys eller mørkt substrat. McDonald-Kreitman-testen (29) sammenligner forholdet synonymt med ikke-synonyme endringer innenfor og mellom arter; her endres dette forholdet bare litt av de fire aminosyresubstitusjonene som skiller de lyse Og mørke Mc1r-allelene. HKA-testen (30) sammenligner variasjon innenfor og mellom arter for to forskjellige gener (I Dette tilfellet Mc1r og mtDNA); imidlertid er nivået av nukleotidvariabilitet Ved Mc1r ikke signifikant redusert selv i subpopulasjonen på mørkt substrat, på grunn Av Tilstedeværelsen Av Mc1r heterozygoter.

på grunn av fullstendig ulikevekt mellom aminosyresider 18, 109, 160 og 233 (Tabell 1), tillater ikke våre data oss å bestemme de relative bidragene til hvert av disse nettstedene til de observerte forskjellene i farge, og de utelukker heller ikke muligheten for at et koblet gen er ansvarlig for observerte fenotypiske forskjeller. Sistnevnte mulighet virker usannsynlig av årsakene beskrevet ovenfor, og også fordi ingen kandidatpigmenteringsgener er nært knyttet Til Mc1r hos mennesker eller Mus. I laboratoriemusen er enkelt aminosyreendringer Ved Mc1r tilstrekkelig til å produsere en mørk farge (16). Funksjonelle studier ved Bruk Av Mc1r-konstruksjoner i et in vitro-ekspresjonssystem kan brukes til å måle den relative effekten av de fire mutasjonene på aktiveringen av reseptoren. Foreløpige resultater fra cAMP-analyser indikerer at det mørke allelet koder for en hyperaktiv reseptor i forhold til lysallelet, og gir sterk støtte Til Mc1rs rolle i de observerte fenotypiske forskjellene (H. E. H., H. Fujino, J. Regan og M. W. N., upubliserte data). Ved å bruke denne tilnærmingen med konstruksjoner som inneholder hver av de fire mutasjonene individuelt og i kombinasjon, håper vi å skille mellom to forskjellige modeller For Mc1r-evolusjon: (i) en enkelt aminosyreforskjell er ansvarlig for de observerte fenotypiske forskjellene, og de andre aminosyrevariantene har hitchhiked med det valgte stedet, eller (ii) to eller flere aminosyrevarianter (som virker additivt eller epistatisk) er nødvendige for å produsere de observerte fenotypiske forskjellene.

Påfallende impliserer dataene som presenteres her aminosyreforandringer Ved Mc1r i den mørke fenotypen i Pinacatpopulasjonen, men ikke I Armendaris-populasjonen. Bare En Mc1r aminosyrepolymorfisme (Ala-285 → Thr) ble observert blant De 40 Allelene Fra Armendaris; denne varianten var tilstede i 2 av 24 alleler i lette mus og 0 av 16 alleler i mørke mus. To stille polymorfismer var tilstede ved mellomfrekvenser (48%) blant De 40 Armendaris-allelene, men ingen av Dem viste noen sammenheng med musefarge. Faktisk var frekvensene av disse polymorfismene svært like blant mørke (50%) og lyse (45%) mus. Fraværet av en sammenheng mellom nukleotidpolymorfismer I Mc1r-kodingsområdet og musefarge ved Armendaris gjør det også usannsynlig at uoppdagede steder i promotorregionen er ansvarlige for fenotypiske forskjeller, med mindre ulikevekt i sammenheng avtar ekstremt raskt. Promotorregionen For Mc1r har blitt godt karakterisert hos både mus (31) og mennesker (32), og det ligger ≈500 bp oppstrøms startkodonet. Generelt var mønstre av nukleotidvariasjon I Kodingsområdet For Mc1r i prøvene Fra Armendaris (både lys og mørk), Portal og Avra Valley unexceptional. Nivåene av nukleotiddiversitet varierte fra 0,11% til 0,19%, tilsvarende verdien sett for lette dyr fra Pinacate-området.

det faktum at de fire mutasjonene sett i De melanske Pinacatmusene (Arg-18 → Cys, Arg-109 → Trp, Arg-160 → Trp Og Gln-233 → His) er fraværende hos De melanske musene fra Armendaris, indikerer at en lignende mørk fenotype har utviklet seg uavhengig av disse forskjellige lavastrømmene og har gjort det gjennom forskjellige genetiske endringer, selv om genet(e) som er involvert i Armendaris-populasjonen ennå ikke er identifisert. Det distinkte molekylære grunnlaget for den samme fenotypen i to forskjellige populasjoner gir sterke bevis for konvergent fenotypisk evolusjon på en relativt kort tidsskala; begge lavastrømmene er mindre enn en million år gamle.

Mens Mc1r mørkningsmutasjoner er identifisert hos andre arter (16, 21-25), er den økologiske konteksten for endringene enten ikke forstått (24, 25) eller skyldes kunstig seleksjon (22, 23). Ugler er viktige rovdyr av lommemus (8, 9) og er kjent for å diskriminere mellom lyse og mørke mus på lyse og mørke underlag, selv når de spiser om natten under lav lysintensitet (10). Det er således sannsynlig at ugler spiller en viktig rolle i å velge for å skjule fargestoffer. Dataene som rapporteres her presenterer et sjeldent eksempel på de molekylære endringene som ligger til grunn for tilpasning i en enkel og naturlig økologisk setting.