小鼠毛色遗传的控制机制及其在遗传学教学中的应用

　　摘要：小鼠是最常用的哺乳动物模式生物，其毛色有白色、灰色、黄色、黑色等，是典型的孟德尔遗传性状。但在本科遗传学教学中，一般只在介绍隐性致死基因的时候才提到小鼠毛色遗传的例子。作者深入挖掘和整理了小鼠毛色遗传的分子机制，并把这个例子贯穿于讲解孟德尔遗传以及介绍分子遗传学的基因结构、基因功能、基因调控、基因互作、基因的表观遗传学修饰和数量性状遗传等，尝试用同一个案例贯穿本科遗传学教学，培养学生建立由表及里的系统分析能力，既凸显遗传学研究的前沿性和完整性，又吸引了学生的注意力，激发了学生的学习兴趣，收到了很好的教学效果。

　　关键词：遗传学；案例教学；小鼠；毛色；

　　作者简介：邢万金，博士，教授，研究方向：分子遗传学和基因工程。Tel：0471-4992944；E-mail：xwanjin@

　　作者简介：莫日根；博士，教授，研究方向：DNA复制调控与细胞周期。E-mail：morigenm@来自

　　遗传学是生命科学的核心科学，其研究的中心问题是基因和环境与表型之间的关系，揭示从病毒、原核生物到高等真核生物所有生命形式的普遍规律。主宰基因型与表型的普遍规律是“中心法则”。遗传学的各种分支如“微生物遗传学”、“植物遗传学”、“动物遗传学”、“群体遗传学”、“发育遗传学”、“肿瘤遗传学”、“细胞遗传学”和“分子遗传学”等等，从不同角度或不同层次揭示这一法则在不同形式生命体中的运行方式。遗传学教科书中，经典遗传学、分子遗传学、细胞遗传学和群体遗传学等各章节都是用各自的原创性经典实验为例子，这些实验案例虽然精妙，但在内容上缺少联系，容易给学生造成一种错觉，以为它们是独立地揭示了不同的遗传规律。教师和学生都难以找到一条贯传遗传学教学的主线并建立起由浅入深由表及里的科学思维模式，只好各个击破、死记硬背各章知识点，结果事倍功半。作者不断尝试梳理遗传学教学的知识体系[1~5]，许多同行也在挖掘新的案例或开发新的教学手段，以便更系统、更形象地讲解抽象的遗传机制[6~9]。在遗传学教学实践中，如果能找到一个各章都能用到的教学案例，能够在个体、细胞、分子各层次上讲解遗传规律及其分子机制，就能既展示遗传学知识的完整性、连贯性和学术研究的前沿性，又能激发学生对遗传学的兴趣，抓住学生的注意力，获得更好的教学效果。文章论述了如何使用小鼠毛色的遗传学教学案例来实现这个愿望，以期与同行分享教改体会。

　　1小鼠毛色在遗传学入门教学中的应用

　　尽管豌豆杂交实验在中学课堂就讲解过，但大学本科遗传学入门教学最经典的例子仍然是孟德尔的豌豆杂交实验，以此引出基因、等位基因、显隐性等最基本的遗传学概念以及遗传规律。这一中学生背的滚瓜烂熟的例子在大学课堂上显然缺少吸引力，大学课堂应该用更有趣的例子。

　　小鼠的毛色有agouti色(胡椒面色)、黑色、白色、黄色等几种，杂交实验结果提示这是孟德尔式单基因遗传。agouti毛色基因A对黑色基因a是显性，即基因型AA和Aa控制agouti色，aa是黑色。因此完全可以用这个例子代替豌豆杂交实验，讲解等位基因、显性和隐性、纯合体和杂合体等遗传学的基本概念，演示一对等位基因的遗传分离。如果要演示自由组合定律，可以引入安哥拉鼠(Angoramouse)的长毛性状。相对于正常的短毛性状，安哥拉鼠长毛是个隐性性状，控制该性状的等位基因Fgf5go是5号染色体上的成纤维细胞生长因子5(fibroblastgrowthfactor5)基因缺失了约2kb而成[10]，纯合体Fgf5go/Fgf5go的躯干毛很长，极易与野生型和杂合体区分。

　　为了全面认识基因控制性状的复杂性，必须进一步讲解孟德尔定律的“例外”(扩展)，用一些杂交实例阐述不完全显性、复等位基因、非等位基因之间的相互作用等现象仍然可用小鼠毛色这个例子，只要引入其他的毛色等位基因即可，如黄色毛基因Avy和AY。Avy、AY、A和a这4个等位基因共同构成复等位基因，其中Avy对A显性，A对a显性。由于对Avy基因的表观遗传修饰在不同程度上抑制Avy的表达活性，导致某些AvyA基因型的杂合体小鼠的毛色介于黄色与agouti色之间[11，12]，形成了不完全显性。AY也是显性黄色毛等位基因，但AYAY纯合体在胚胎期即死亡，因此AY基因本身又是隐性致死基因。agouti座位还有一个“高度可变黄色”(hypervariableyellow)等位基因Ahvy，纯合体或杂合体Ahvy黄色小鼠往往伴随有肥胖、糖尿病以及易患肿瘤等性状，表现为agouti基因的一因多效(Pleiotropy)[13]。影响毛色的还有另外一对等位基因B和b，其中B控制黑色素(Eumelanin)形成，其等位基因b不形成黑色素，成为白化(白鼠)，因此只有在有B基因的前提下，上述agouti和黑色表型才能正确显示，即基因型B_A_表型为agouti色，B_aa表型为黑色；而隐性b基因纯合状态下，A和a基因均不能显示性状，即基因型bbA_和bbaa均为白色，这种现象称为b基因对A基因隐性上位(Recessiveepistasis)。通过小鼠毛色的遗传，学生们进一步认识到基因控制性状的复杂性，同时也激发了探究这些现象背后分子生物学机制的兴趣。

　　2小鼠毛色在分子遗传学教学中的应用

　　分子遗传学教学，一般以原核生物大肠杆菌的乳糖操纵子为例介绍基因结构与功能调控，剖析基因型控制表型的分子机制，而真核生物中缺少像乳糖操纵子这样简明而又了解清楚的例子，因而对真核生物基因结构与功能调控介绍极少。但仅仅学习操纵子的结构与功能并不能释疑学生们对于等位基因及其功能以及与表型关系的谜团。教师在用原核操纵子给学生初步建立了基因调控模型以后，最好能够回到提出等位基因概念的真核生物案例，解释真核生物等位基因的结构与功能调控，解答学生最初接触基因型和表型概念时留下的谜团。

　　2.1小鼠毛色等位基因的分子结构与功能调控

　　遗传学对小鼠毛色基因的结构与功能研究的比较深入，可以用小鼠毛色的例子在分子水平上继续讲解真核生物基因的结构与功能调控。小鼠毛色的表型主要由毛囊黑素细胞合成的色素所决定，小鼠毛囊黑素细胞刺激激素(-melanocytestimulatinghormone，-MSH)与extension基因编码的黑皮质素受体1(Melanocortin1receptor，Mc1r)结合，促使毛囊黑素细胞合成黑色素，因此，决定纯黑色的B基因可以被看作是参与催化合成黑色素的某个基因。agouti基因A(GeneID：50518)位于小鼠的2号染色体上，结构比较特殊，由4个外显子组成(图1)，但主要的编码序列是第2、3、4三个外显子[14]，被称为非翻译外显子的第1外显子的1A和1B只在浅色腹小鼠的腹部皮肤转录，1C和1D在腹部和背部都转录。野生型A基因的产物是一个旁分泌信号分子(Paracrinesignalingmolecule)，称为agouti信号肽(Agoutisignallingpeptide，ASP)[15]。ASP在毛发生长周期的第4~6天集中产生，竞争性地与Mc1r结合，促使毛囊黑素细胞转而合成黄色的棕黑素(Pheomelanin)，第6天以后A基因停止表达，毛囊黑素细胞恢复产生黑色素，导致每根毛的末梢附近有一段棕黄色的环带，整体皮毛效果呈现agouti表型[16]，这就是小鼠毛色显性性状胡椒面色的来由。

　　A：野生型agouti基因；Aiapy：由于逆转座子IAP插入形成的显性突变；ls1Gso：缺失第4外显子的隐性突变；A5MNU：缺失第3外显子的隐性突变。agouti基因在背部和腹部毛囊中以P1和P2启动子驱动转录，在腹部毛囊中还有腹部特异性启动子驱动从1A转录全长。隐性致死基因Aiapy则受逆转座子IAP的长末端重复(LTR)驱动，在各种组织中均持续转录。

　　agouti基因(A)有多种突变形式，形成了复等位基因。目前发现至少有5种显性突变，均导致在身体其他组织也异位合成ASP，引起多种效应，如黄色毛、肥胖、II型糖尿病以及高肿瘤易感性等。其中致死等位基因AY源于A基因上游的整个Raly基因(Ribonucleo-proteinassociatedwithlethalyellow)和翻译起始因子eIF2的亚基基因Eif2s2以及A基因本身的5′端非编码区共约120~170kb的大片段缺失，结果造成能在各种组织里广泛表达的Raly基因启动子控制了A基因表达[17]，毛色全黄。此外还有5种显性突变，分别是脑池内A粒子黄色(intracisternalA-particleyellow，Aiapy)、中等黄色(intermediateyellow，Aiy)、赭黄色(siennayellow，Asy)、可变黄色(variableyellow，Avy)以及高度可变黄色(hypervariableyellow，Ahvy)。这些突变都是在A基因的第1外显子处插入长度不等的DNA片段，属于调控元件变异[13，18]，如基因Aiapy是在A基因的1C外显子内部插入了一段病毒性逆转录转座子，称为IAP(IntracisternalAparticle)(图1)，此转座子的两端有长末端重复(LTR)，具有启动子功能，能驱动下游的A基因编码区在整个毛囊周期组成性持续表达，导致AiapyA杂合体小鼠毛通体黄色。

　　A也有多种隐性突变形式的等位基因(a)，它们都不能表达有功能的ASP信号分子，因而不能促使毛囊黑素细胞合成棕黑素，所以毛的全长都是由B基因控制的黑色素占据，如amJ、au、ada、a16H、a18H、ae6个隐性突变，amJ是在第2外显子前插入了一段来自外显子1B上游的45bpDNA，a16H是一个点突变导致第16个氨基酸残基由半胱氨酸便成了精氨酸，ae是由于一个起始密码ATG的A缺失突变导致从第2外显子起始翻译的时候起始密码不正确，au、ada和a18H都是在启动子或调控区发生了变异导致A基因的产物减少[19]。此外，还有编码区外显子缺失的A基因突变形式，导致不能产生完整的基因产物，如ls1Gso是缺失了第3外显子，a5MNU是缺失了第4外显子(图1)[14]。通过这个例子在分子水平上给学生介绍了真核基因的组成与结构、显性和隐性等位基因的来源与功能区别、基因型与表型的关系、真核基因的表达调控(尤其是启动子的作用)等分子遗传学的基础知识，并解答了引出基因型、表型概念的agouti毛色的分子遗传机制。

　　2.2小鼠毛色等位基因与相对性状的关系

　　在回答了学生关于基因型如何控制表型的疑问的同时，这个例子还进一步让学生明白一对“相对性状”并非总是等位基因控制的。在杂交实验中agouti毛色对黑色是显性，即A基因是显性等位基因，它所控制的agouti毛色是显性性状，这很容易使学生认为黑色基因就是agouti基因的等位基因。但当了解了小鼠毛色性状的分子遗传学机制就会明白，所谓等位基因与相对性状并非总有对应关系。实际上A基因的隐性等位基因是a基因，A基因决定产生少量黄色素从而形成毛尖部的黄色环，众多这样的毛聚在一起看起来就是agouti毛色，而如前所述，agouti基因的隐性等位基因a只是不能产生有功能的ASP，因而不能刺激毛囊黑素细胞产生黄色素，但并非决定产生黑色素。决定产生黑色素的是B基因，而B基因的隐性等位基因是不能产生黑色素的b基因，bb的表型应该是白色毛。由上可知A基因与B基因不是等位基因，但agouti纯合体(AA)与黑色纯合体(BB)小鼠杂交确实表现典型的孟德尔分离，即F2agouti：黑色=3：1，这其实是AA与aa杂交的结果，BB基因型及其所控制的黑色毛表型只是默认的背景色，即：无论是AA还是aa，都有黑色素(都是BB)。

　　2.3小鼠毛色等位基因与基因功能描述

　　本例在分子遗传教学中能够让学生明白基因的真正功能并不能从与之关联的表型直接定义，这一点对学习遗传学非常重要。学习了孟德尔遗传学，建立了基因型与表型的概念，如果不从分子水平上阐明基因的真正功能，很容易落入把基因的功能简单地归于“控制性状”或者“其产物形成了某种性状”之类的不准确的思维模式。实际上基因的功能只能用其DNA序列或者其产物(RNA或蛋白质)在分子水平上的作用来定义，而“性状”是宏观上表现出来的最终状态，实际上是多种基因(甚至整个基因组)在细胞(或组织)水平相互协作的结果。本例中A基因并不生产“agouti色素”或形成色素分布类型，而只是一种信号蛋白，其具体功能还有待于进一步研究。类似的例子还有ABO血型，血型性状是红细胞表面的A、B、O抗原，但控制它们的等位基因IA、IB其实是编码两种糖基转移酶，其功能是在底物H物质上催化加糖的反应，并非直接编码这几种抗原本身。这些例子将启发学生思考基因型与表型之间的复杂关系，明白某基因要实现表型需要在一定的细胞结构平台上依靠其他基因的配合，这种认识对于未来从事科研工作极为重要。

　　2.4小鼠毛色等位基因的显性和隐性关系

　　本例的另一个用处是为学生阐明显隐性的相对性及其分子机制。显性和隐性是遗传学最重要的概念之一，是孟德尔遗传规律的基础，但在遗传学教学中几乎没有专门的章节讨论显性与隐性的分子生物学实质，基本上是停留在概念本身。学生对于显性等位基因和隐性等位基因的理解往往就是显性等位基因有活性，隐性等位基因失活。实际上所谓显性等位基因与隐性等位基因只是描述一对等位基因在一起时所表现出的功能上的差异，可能存在有活性(显)与无活性(隐)的区别，但在很多情况下并无“活”与“失活”之分，甚至有的失活基因反而表现显性遗传(如抑癌基因Rb与视网膜母细胞瘤)。此外，基因功能的“显性”与“隐性”在基因的分子结构上涉及基因的突变、修复、调控、表观遗传、蛋白结构与功能等多方位知识，因此“显性”和“隐性”成为遗传学教学的难点之一。小鼠毛色遗传能够较好地帮助学生理解显性和隐性的分子机制。agouti基因A是个显性等位基因，在分子水平上表现在A基因能够表达并产生有活性的ASP信号蛋白，如果A基因突变，丢失部分外显子，表达出的ASP蛋白没有活性，就不能形成agouti表型。但显性性状agouti毛色还要求A基因的表达是短暂的，不能持续表达。如果由于突变事件使A基因持续表达的话(如AY)，毛色全长将成为黄色，而黄色毛对agouti毛色是显性，此时agouti变成了隐性，但它的agouti基因A本身并没有失活。这个例子告诉学生，显性等位基因与隐性等位基因的差异既体现在基因能否表达出活性产物，也有基因表达受到正常或异常调控的区别。

　　2.5小鼠毛色等位基因之间的相互作用

　　小鼠毛色遗传在遗传学教学中更为显著的用途是在杂交结果中表现出的基因之间相互作用，使学生进一步了解基因型与表型不是简单的对应关系，而是要受到其他基因的影响。人们所看到的表型是个宏观的结果，是很多基因相互作用的结果，而具体的基因型却是单一的，初学者学习了豌豆杂交实验，往往把表型直接与基因型对应。小鼠毛色杂交实验则告诉学生，agouti基因A的显性作用是建立在小鼠毛囊细胞能够产生黑色素的基础上，即B基因必须同时发挥作用。因为agouti表型是黑色毛的近毛尖处有一圈黄色，即黑色是背景，黄色为点缀，二者缺一不可，可以说是A基因与B基因共同形成的表型。尽管杂交结果显示agouti毛色对纯黑色是显性，但实际上受制于黑色，即B基因的作用反而决定了A基因的效应。此例中如果B基因不能发挥作用，即隐性纯合体bb基因型，则即使A基因正常，小鼠毛色也将是白色的，这种现象被称为隐性上位。

　　3小鼠毛色遗传在数量性状遗传学教学中的应用

　　遗传学中除了孟德尔式遗传的单基因性状外，还有一类更为常见的性状，如身高、体重、肥胖、农作物产量等，均属于数量性状，是多基因控制的，且会受到环境因素的影响，其中很多性状都与疾病和农牧业生产有关，是遗传学研究和教学的重要内容。但普通遗传学教材中没有讲解基因在分子水平上如何控制数量性状的例子，导致讲解数量性状遗传的时候非常抽象，基本上只停留在解释数量性状杂交的特点上。作者整理文献后发现在这一章可以继续使用小鼠毛色遗传的例子。

　　Agouti相关蛋白(Agouti-relatedprotein，AgRP)是下丘脑的弓状核中表达神经肽Y(NeuropeptideY，NPY)的神经元(AgRP/NPY神经元)生产的一种神经肽[20]。AgRP与NPY都是刺激食欲的神经肽，且在同一种细胞中共表达以刺激食欲并降低能量消耗代谢，是最强且持续时间最长的食欲刺激因子之一。AgRP/NPY神经元上既有“饥饿激素”ghrelin的受体GHSR1a，也有“饱腹激素”leptin的受体Ob-Rb。当胃空腹时，胃肠道的ghrelin细胞分泌ghrelin激素去刺激AgRP/NPY神经元分泌AgRP和NPY来刺激食欲[21]，而脂肪细胞分泌Leptin激素抑制AgRP/NPY神经元释放刺激食欲的神经肽，引起饱腹感，抑制进食[22]。黑皮质素受体家族的MC3R和MC4R直接与分解代谢和体重控制有关，它们受毛囊黑素细胞刺激激素-MSH激活。AgRP能与MC3R和MC4R竞争性结合，抑制该受体的作用，刺激食欲。在转基因小鼠中超表达AgRP或者脑室内注射AgRP能引起小鼠过度摄食(Hyperphagia)和肥胖[23]，同时在肥胖男性血液中也观察到AgRP水平升高[24]。

　　小鼠agouti基因A除了影响毛色外，其黄色显性等位基因控制的黄色毛性状往往伴随着肥胖，而且毛色越黄鼠体越胖，显示这种肥胖与A基因的异位表达有关。A基因的某些显性突变形式是因为受控于其他基因的启动子(如Raly或者LTR启动子)，导致A基因在除了毛囊细胞外的其他组织中也表达。agouti信号蛋白ASP与AgRP蛋白具有约25%的氨基酸同源性，是哺乳动物中已知的唯一具有由三对二硫键形成的抑制性半胱氨酸结(inhibitorcystineknot，ICK)的两个蛋白[25，26]。ASP也能与-MSH受体家族成员结合。异位表达的ASP在脑中与MC3R和MC4R结合则起到了AgRP的作用，刺激食欲，引起肥胖。此例通过agouti毛色基因与若干MCR受体基因之间的关系并结合激素基因、激素的受体基因、脂肪代谢相关基因等在细胞与分子层面让学生进一步理解体重这个数量性状的多基因控制机制。

　　4小鼠毛色遗传在表观遗传学教学中的应用

　　近年来遗传学研究发现一类新的变异，称为表观遗传变异。与传统的基因序列突变引起的变异不同，表观遗传变异是基因序列本身并未发生突变，而是发生了化学修饰导致基因表达受到了增强或者抑制，结果导致新的表型。

　　表观遗传的机制比较复杂，用于遗传学教学的表观遗传变异的例子不多。在小鼠agouti基因座位中就有一个表观遗传变异例子[27]。A基因的某些等位基因形式就是基因的转录产物的编码区并没变，但受到了其他启动子的驱动，导致A基因的异位表达，造成小鼠通体黄色，如前所述的Raly基因启动子控制了A基因表达的AY等位基因。与Aiapy等位基因相似，“可变黄色”等位基因Avy，也是A基因的第一外显子内插入了反转座子IAP，但其真正的编码区(第2、3、4外显子)并未变，而且IAP的LTR上的CpG会因甲基化修饰而影响LTR的启动子活性，从而影响下游编码区的表达。更有趣的是人们发现给怀孕的aa基因型母鼠食物中添加叶酸(folicacid)、维生素B12(VitaminB12)、胆碱(Choline)、甜菜碱(Betaine)、金雀黄素(Genistein)等富含甲基的添加剂，出生的Avya杂合体小鼠的毛色会出现不同程度的agouti毛色，有的Avya杂合体小鼠甚至完全呈现agouti毛色(假agouti)。经过研究发现这种转变是由于Avya杂合体小鼠在胚胎发育的早期Avy基因上CpG甲基化明显增加[28]，该处的组蛋白H3和H4去乙酰化[29]，抑制了IAP启动子的活性，使Avya基因型表现出像AA(或Aa)基因型的agouti毛色表型。这个例子既说明了表观遗传修饰如何影响基因功能，又在分子水平上很好地解释了环境如何影响基因的功能从而影响表型，成为一个难得的环境影响遗传性状的好例子。这种由于甲基化的差异导致的黄色毛表型不表现转而不同程度地表现为agouti毛色表型的现象也为理解遗传学上的另外两个概念—不完全外显(Incompletepenetrance)和表现度不一(Variableexpressivity)的分子机制提供了很好的例子。

　　这个表观遗传例子的有趣之处还在于人类也有agouti同源基因。人的Aiapy基因是个亚稳定的表观等位基因(Epiallele)，其IAP下游有7个CpG甲基化位点，在胚胎早期也会被甲基化而造成Aiapy表达程度的差异，并终身维持，称为表观基因型(Epigenotype)[30]。人类母亲怀孕过程中的饮食对胎儿表观等位基因的甲基化甚至某些遗传性状的影响正在引起关注[31]。

　　5小鼠毛色遗传在进化遗传学教学中的应用

　　进化的本质是基因的进化，所以进化是遗传学的重要研究领域和教学内容。达尔文认为生物对环境的适应是通过微小的连续变异逐步实现的，但一直没有找到这样的例子。直到最近，在生活在NebraskaSandHills浅色砂质地表的鹿鼠的agouti基因中找到了这样的分子遗传例子。毛皮色是使老鼠个体融入生存环境中的主要适应性表型，而作为控制毛色性状的主要基因之一，A基因的突变必然会导致毛色变化，为老鼠提供适应不断变化的环境的潜力。最近发现，这些常年活动于NebraskaSandHills浅色砂质地表的鹿鼠毛皮色泽越来越浅，能有效地躲避捕食者，其A基因在过去的8000~15000年里累积了10个SNP位点突变，每个突变均引起独立的浅色毛表型，经自然选择，逐渐淘汰非突变的深色鼠，留下突变的浅色鼠，积累成为现在的浅色[32]。这个例子形象地说明了基因突变产生遗传多样性，遗传多样性控制表型多样性，经自然选择发生适应性进化的分子机制。

　　6结语

　　总之，作者经过深入挖掘和整理最新科研成果，发现鼠毛色性状的遗传控制是一个饶有趣味的教学案例，能够把孟德尔遗传、分子遗传、表观遗传、数量性状遗传、进化遗传等遗传学教学的主要内容都串联起来，适用于在群体、个体、组织、细胞和分子水平上由浅入深逐步讲解基因的概念、显性与隐性的实质、真核基因的结构、功能调控以及环境对表型的影响等遗传学核心问题，既能凸显遗传学研究的系统性，又能使遗传学教学具有连贯性和趣味性，在教学实践中取得了很好的效果。《中华医学遗传学》杂志