安全島報人劉亞東A
來源：測序中國
作者：小鹿-先森
大熊貓是最具魅力的旗艦物種之一，其毛髮特徵是其引人注目的黑色和白色（以下簡稱黑熊貓）。但是在中國陝西省秦嶺地區發現的棕色大熊貓推翻了人們的傳統認知。自1985年第一隻棕色大熊貓被發現以來，新聞已報道了11例記錄。雄性棕色熊貓“七仔”是目前唯一一隻圈養的棕色熊貓。棕色熊貓的反覆出現意味着這種特徵可能是可遺傳的。
近日，中國科學院動物研究所等單位的研究團隊通過遺傳學手段分析了為什麼有的熊貓毛髮會是棕色。研究團隊利用中國佛坪自然保護區野生大熊貓長期的生態學和遺傳學研究資料，建立了兩個棕色大熊貓的家系，並建立了棕色毛色的孟德爾遺傳模式，確定了Bace2基因25bp缺失的候選突變為棕色大熊貓最可能的遺傳基礎，且通過多種技術進行了證實。該研究為進一步了解棕色大熊貓乃至野生動物毛色變異的遺傳基礎提供了理論依據，對稀有棕色大熊貓的科學繁育具有重要的指導意義。相關成果已發表在PNAS上，文章題為“Taking a color photo: A homozygous 25-bp deletion in Bace2 may cause brown-and-white coat color in giant pandas”。
文章發表在PNAS
主要研究內容
棕色和黑色熊貓毛髮的表型
黑色熊貓全身覆蓋著黑色和白色的毛髮，而棕色熊貓則有棕色和白色的毛髮。為了研究黑、棕色大熊貓的毛髮特徵，研究團隊採集了大熊貓的左前肢和左後肢毛髮。利用透射電鏡對黑色和棕色毛髮高度着色的中間部分進行檢查，發現黑色毛髮的黑素體在橫截面上呈近圓形，在縱截面上呈細長的橢圓形，棕色毛髮的黑素體在橫切面和縱切面上均呈現較小的圓形/橢圓形或不規則形狀。統計分析顯示，棕色毛髮的黑素體平均比黑色毛髮少22%，黑素體平均比黑色毛髮小55%。
圖1. 黑、棕大熊貓毛髮檢測
Bace2缺失突變作為潛在因果變異的鑒定
為了闡明棕色毛髮的遺傳結構，研究團隊首先研究了棕色毛髮的遺傳模式，然後基於鑒定的遺傳模式及其地理分布進行全基因組變異篩選以捕獲與該表型相關的所有潛在變異。根據系譜，發現棕色是由常染色體隱性突變。
研究人員根據棕色大熊貓的隱性孟德爾遺傳模式和地理分布，對35隻深度重測序的大熊貓進行了全基因組篩查和分析，在常染色體上總共檢測到18147295個短變異和116636個結構變異。篩選後發現有650個變異分布在七仔和丹丹（1971年出生，1985年在陝西秦嶺佛坪國家自然保護區被發現，2000年去世）共有的38個血緣同源（Identity By Descent，IBD）片段上，其中只有2個IBD片段在蛋白質組編碼區存在變異。一個IBD片段（Chr11：19539708-19920712183）在DNAJC 16基因中具有同義突變（c.48C>T），另一個片段（Chr 1：4221483-1993914）上Bace2基因的第一外顯子中具有25bp缺失。
基因缺失可導致過早的終止密碼子和隨後的功能喪失。重要的是，據報道Bace2是色素沉着相關基因。先前的幾項研究已經建立了Bace2基因和脊椎動物毛髮色素沉着之間的聯繫。以上結果表明，Bace2突變可以影響脊椎動物的色素沉着，因此，棕色大熊貓的毛色變化可能歸因於Bace2缺失突變。
圖2. Bace2缺失突變的鑒定
DNA和RNA測序數據驗證棕色熊貓中的Bace2缺失
隨後，研究團隊對秦嶺和非秦嶺黑熊貓群體的序列進行比對分析，發現除了丹丹和七仔是純合突變體外，其餘的黑熊貓都是純合野生型。通過對來自黑熊貓和七仔的毛髮樣本進行RNA測序分析，發現七仔的Bace2第一外顯子的純合缺失，而在黑熊貓中沒有發生缺失，證實了棕色熊貓中存在這種缺失。
此外，研究人員利用PCR和Sanger測序驗證了192隻大熊貓Bace2基因的缺失情況。結果表明，只有2隻棕色大熊貓是純合突變體（丹丹和七仔），4隻來自秦嶺的黑色大熊貓和1隻雜交大熊貓為雜合子，其餘均為純合子野生型黑熊貓。值得注意的是，沒有一個非棕色秦嶺個體攜帶這種突變，這與棕色大熊貓只出現在秦嶺的觀察相吻合。
圖3. Bace2缺失突變的驗證
基因敲除小鼠驗證Bace2缺失
為了驗證Bace2缺失導致的毛色效應，研究團隊利用CRISPR-Cas9基因編輯技術，在黑色小鼠中去除了熊貓Bace 2基因缺失的正向序列。與野生型小鼠相比，78隻純合子突變小鼠毛色均為淺棕色。
為了確定基因敲除小鼠是否表現出與棕色熊貓相似的黑素體模式，研究團隊首先在顯微鏡下檢查了Bace2+/+和Bace2−/−小鼠毛髮中黑素體在生長期和休止期的分布，發現Bace2−/−小鼠在兩個時期都比Bace2+/+小鼠表現出更少的黑素體。
透射電鏡觀察顯示，野生型小鼠中的黑素體數量是敲除小鼠的1.23倍。此外，野生型小鼠黑素體體積顯著增大，平均為基因敲除小鼠的1.49倍。總之，研究結果表明，基因敲除小鼠比野生型小鼠具有更少更小的黑素體，這與在熊貓毛髮樣本中的觀察結果一致。因此，以上結果支持Bace2缺失很可能是大熊貓棕色毛髮的遺傳基礎的觀點。
圖4. Bace2敲除小鼠的表型分析
結 語
該研究表明，Bace2基因25bp的純合缺失很可能導致大熊貓毛髮色素減退，使毛髮呈現棕色，並利用多種測序手段和小鼠模型進行了驗證。該研究的突破之處在於發現一個基因的突變可以導致毛髮顏色的變化，從遺傳學角度解釋了棕色大熊貓的出現。據悉，研究團隊計划進一步探索這25個鹼基對的缺失導致棕色毛髮的內在機制。
論文原文：
Guan D, Sun S, et al., Taking a color photo: A homozygous 25-bp deletion in Bace2 may cause brown-and-white coat color in giant pandas. Proc Natl Acad Sci U S A. 2024 Mar 12;121(11):e2317430121. doi: 10.1073/pnas.2317430121.
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2317430121
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