动物毛色候选基因TYRP1的研究进展

李丽莎，李祥龙

(1 河北农业大学，河北 保定，071000；2 河北科技师范学院)



动物毛色候选基因TYRP1的研究进展

李丽莎1，李祥龙2*

(1 河北农业大学，河北 保定，071000；2 河北科技师范学院)

就TYRP1基因及其编码蛋白的结构和功能、多态性及在不同组织中的差异表达与毛色形成的关系进行了概述，并对今后在TYRP1基因方面的研究进行了展望。

TYRP1基因；动物毛色；研究进展

动物毛色是毛皮动物绒、毛、羔皮及裘皮的重要质量性状[1]，同时作为识别和鉴定品种的重要标志，在动物育种尤其是在分子水平上已经成为一个重要的育种性状[2]。脊椎动物表层结构中最主要的色素来源是黑色素。在哺乳动物体内，黑色素主要分为2大类，一类是不含硫原子且难溶于碱性溶液的真黑素，形成黑色和褐色；另一类是含硫原子且易溶于碱性溶液的褐黑素，形成红色和黄色[3]。动物毛色表型由真黑素和褐黑素在体内的分布和比例来决定[4,5]。动物毛色是使动物皮肤免受紫外线辐射危害的天然保护层[6]，一些动物还能借助自身的表皮色素来伪装或炫耀自己[7]，从而进行躲避捕食、社会交往或性别选择等活动[8]。动物体内许多基因都能影响其毛色的形成，且各基因间存在互作效应，导致动物毛色形成的原因极为复杂[9]。酪氨酸相关蛋白酶1(tyrosinase-related protein 1，TYRP1)基因作为第一个成功克隆的色素基因，该基因在真黑素形成中发挥的关键作用已引起人们重视[10,11]。笔者就TYRP1基因及其编码蛋白的结构、功能、多态性及在不同组织中的差异表达与毛色形成的关系进行简要概述，以期为进一步研究该基因在黑色素形成中的机理提供依据。

1 TYRP1基因及其编码蛋白的结构

TYRP1基因编码蛋白与酪氨酸酶(tyrosinase，TYR)同源性高达40%[12]，和酪氨酸相关蛋白2(tyrosinase related protein 2，TYRP2)共同构成酪氨酸家族来调控黑色素的生物学合成过程。酪氨酸相关蛋白1是一跨膜蛋白，由内质网中合成，通过高尔基体转运到黑色素体内[13]。小鼠TYRP1基因位于4号染色体，定位至小鼠的brown位点，编码537个氨基酸。人TYRP1基因位于9号染色体，包含8个外显子和7个内含子，但外显子1不编码，由外显子2～8编码，包含1个信号肽[14]。大多数物种TYRP1基因编码蛋白由537个氨基酸组成，还含有1个信号肽区、2个铜原子结合域、2个富含半胱氨酸区域及大约6个糖基化位点[2]。TYRP1基因编码的17个半胱氨酸集中于2个明显的富含半胱氨酸区域内，该区域还含有表皮生长因子基序，有学者推测该区域对蛋白质间的互作尤为重要[15]。关于TYRP1基因启动子的研究，发现该基因启动子区不存在典型的TATA框(TATA-box)和CCAAT框(CCAAT-box)，但存在一个保守的正向调控元件M-box(AGTCATGTGCT)，该元件能被碱性旋-环-螺旋(bHLH)家族的转录因子(上游刺激因子)识别[16]。

2 TYRP1基因的生物学作用

因TYRP1基因和TYR基因存在较高的同源性，所以对该基因的生物学作用一直存在着争议，最早认为该基因具有过氧化氢酶的活性。有学者推测TYRP1基因也有酪氨酸酶和酪氨酸酶类似的活性，也有学者推测TYRP1基因参与左旋酪氨酸到多巴的转换，是酪氨酸酶必要的协同因子。但从小鼠TYRP1基因功能的研究中发现该基因编码蛋白具有5,6-二羟基吲哚羧酸氧化酶活性，从而影响黑色素合成的下游途径。有研究表明，酪氨酸酶活性的稳定过程中，TYRP1基因发挥重要作用，并直接影响黑色素的生成[17]。而TYRP1基因在黑色素合成过程中起调控作用，并对黑色素细胞的发育、生存与功能起调节作用[11,18，19]。

3 TYRP1基因的多态性研究

将基因序列中某个碱基的突变、缺失和插入等引起基因编码核苷酸顺序的改变，从而造成其编码蛋白的变化称为基因的多态性[9]。动物毛色表型多种多样，不同物种内、同一物种或不同个体间所呈现的相似的被毛类型，因此任何动物毛色表型的分类均呈现潜在的毛色变异的遗传基础[10]。尽管TYRP1基因对不同毛色形成的机理尚不清楚，但对该基因多态性的研究在培育和创造新的毛色品种方面具有重要意义。

关于小鼠TYRP1基因的研究，Zdarsky等[20]发现，小鼠TYRP1基因编码区存在4个突变位点造成其毛色表型的突变，分别是编码区329 bp处存在一个G/A突变，即半胱氨酸转变为酪氨酸；编码区816 bp处存在一个C/T突变，使TaqⅠ酶切位点消失；编码区977 bp处存在一个G/A突变，即组氨酸转变为精氨酸；编码区1 251 bp处存在一个G/A的同义突变。其中329，977，1 251 bp的突变起源是未知的，推测物种特异性可能是引起其变异的原因，而816 bp的突变只出现于棕色表型的小鼠。Sophie等[21]发现，小鼠染色体倒位会产生腹部白色背部棕色的表型。关于人TYRP1基因的研究，Boissy等[22]发现，一对非裔美国双卵孪生兄弟(一个为白化病患者，另一个为正常肤色)中，白化病患者TYRP1基因外显子6上缺失一个单碱基，从而使其放阅读框被截断，导致该基因编码蛋白活性的丧失，对下游酪氨酸羟化酶的催化作用降低，最终形成Ⅲ型眼皮肤白化病。Manga等[23]发现，南非人所患的某种白化病与TYRP1基因突变(SNP：S166X和368delA)有关。Kenny等[24]发现，人TYRP1基因编码区存在一个错义突变(胱氨酸转变为精氨酸)，该突变与金色发色相关，并具有隐性遗传特性。Kausar等[25]发现，巴基斯坦人TYRP1基因编码区缺失22个碱基(c.647_668del)，从而使其放阅读框被截断，其表现呈现为金色或亮橘色的发色，棕色眼睛且中央凹发育不良，伴有眼球威震。Mukherjee等[26]发现，11个同族结婚的印度人TYRP1基因内含子上存在一个单核苷酸多态性(SNP ID：rs2733832)，推测该变异位点可能与其肤色有关。关于马TYRP1基因的研究，Rieder等[27]发现家马TYRP1基因外显子2上存在一个突变位点(C189T)，即苏氨酸转变为蛋氨酸，但该突变功能尚不明确；在内含子2上也存在一个突变位点(A1188G)。且发现该基因与马的银白色、红栗色、深褐色、及黑栗色表型有关。关于犬、猫等食肉目TYRP1基因的研究，Schmutz等[28]发现，犬TYRP1基因外显子5上存在2个突变位点，分别是提前终止密码子(Q331ter)和脯氨酸缺失(345delP)；外显子2上存在一个错义突变(S41C)，该突变位点与犬的棕色表型有关。Cargill等[29]通过连锁分析发现，达尔马西亚狗TYRP1基因的显(B)/隐(b)性基因型可控制其黑/褐黄色斑。俞剑熊等[30]发现，拉布拉多犬的基因型为BB和Bb(2种基因型均为黑色)，但不含基因型bb(巧克力色)，在金毛猎犬中全为BB基因型(黑色)，并存在一个错义突变(c.A990G)，推测可能由犬种之间的差异引起的。Lyons等[31]发现猫TYRP1基因共含有16个SNP，其中8个位于编码区(沉默突变6个，氨基酸突变2个)，分别是密码子第298处的一个碱基错义突变，即精氨酸被终止密码子(UGA)替代，此突变与肉桂色表型一致，另一个是内含子6上的突变可能会扰乱了外显子6的拼接识别位点。朱艳菲等[32]成功克隆了红褐色乌苏里貉与野生型乌苏里貉TYRP1基因编码区序列，但不存在突变位点。关于牛、羊等偶蹄目TYRP1基因的研究，Berryere等[33]发现，德克斯特牛TYRP1基因编码区的一个单核苷酸多态性(H424Y)与其暗褐色表型相关。Gratten等[34]发现，索艾绵羊TYRP1基因外显子4上含有一个非同义性突变(c.869T>C)与其浅色表型极显著相关，但在不同毛色个体中表达量不同。郑会芹[2]发现，山羊完整TYRP1基因共包含80个SNP，其中位于外显子的有12个，内含子中含有68个，其中g.1263A>C处与其深色表型有关。Ren等[35]发现，猪TYRP1基因编码区上缺失6个碱基TGGGTA(c.1484_1489del)，该突变与其褐色表型有关。关于鸟类TYRP1基因的研究，Nadeau等[36]发现，日本鹌鹑TYRP1基因外显子3上存在一个T/C突变与其肉色羽毛相关，即苯丙氨酸转变为丝氨酸。徐莹[37]发现，朝鲜鹌鹑TYRP1基因编码区367 bp处存在一个T/C突变，即亮氨酸转变为丝氨酸；编码区1 153 bp处存在一个 C/T 突变，即苏氨酸转变为异亮氨酸，这2个突变位点和其羽色之间无显著相关，但降低TYRP1基因的表达量可能与其黑色羽毛有关。其他脊椎动物TYRP1基因的研究，Krauss等[38]发现，斑马鱼TYRP1A基因在蛋白质的氨基末端存在一个突变位点，即Arg->Cys，该突变会引起黑色素细胞的死亡，且颜色表型与美拉尼西亚人金发和小鼠的褐色表型相似。

4 TYRP1基因在不同组织中的差异性表达分析

研究TYRP1基因在不同物种不同组织或器官中的差异性表达，对了解表差异性和TYRP1基因功能的关系，并为获得不同毛色表型提供理论依据。Gratten等[34]发现，不同深浅色的索艾羊TYRP1基因的表达量与其毛色深浅无明显相关。Nadeau等[36]发现，突变型和野生型日本鹌鹑TYRP1基因的表达量与其表型不存在明显差异。但赵彦斌等[39]发现，黑线仓鼠皮肤组织中的TYRP1 mRNA的表达量是白化突变系的5.3倍，且TYRP1表达水平明显高于白化突变系。Ko等[40]发现，黑羽鸭TYR基因和TYRP1基因的表达量较高于白羽鸭中的表达量。杨姗姗[41]将lpa-miR-nov-66转染到羊驼黑色素细胞中，发现转染组TYRP1在mRNA和蛋白表达水平均显著高于对照组。

5 不同物种间TYRP1基因生物信息学分析

不同物种同一基因的分子进化研究能为该基因在生物进化过程提供佐证，并为深入研究进化机制提供理论基础。利用最大似然法对小家鼠、家牛和人等22个物种构建的系统发育树，发现不同物种间亲缘关系与哺乳动物的进化分类最为接近。对上述物种TYRP1基因编码区在进化中所承受的选择压力的研究，共发现13个正选择位点，表明该基因主要承受负选择作用[42]。

6 结论与展望

尽管许多研究发现TYRP1基因突变和许多动物棕色或褐色表型相关，该基因在不同物种、不同组织或器官中的表达量也存在差异，但TYRP1基因调控动物毛色的遗传学分子机制仍需进一步探究。笔者建议可从以下层次开展研究，对TYRP1所属的酪氨酸家族成员之间的互作来探究不同候选基因间的协同作用；对不同毛色的动物，尤其是提供优质毛皮的动物，检测TYRP1基因在皮肤组织中的分布特征，以此揭示TYRP1基因编码蛋白与不同毛色之间的关系；利用细胞生物学的相关知识来探究TYRP1基因在不同毛色动物皮肤组织中成熟黑色素细胞数量和分布特征。上述研究为阐明TYRP1基因引起的不同动物毛色变异与毛色表型及调控的动物毛色分子机制研究提供分子基础，同时降低化工染料对环境污染的破坏，为开创绿色环保天然生物工程染料研发新的领域。

[1] Ghosh T C,Gupta S K,Majumdar S.Studies on codon usage in entamoeba histolytica[J].International Journal of Parasitology,2000,30:715-722.

[2] 郑会芹.山羊TYRP1基因序列分析及SNPs研究[D].保定：河北农业大学,2010.

[3] Wilczek A,Kondoh H,Mishima Y.Composition of mammalian eumelanins analyses of DHICA-derived units in pigments from hair and melanoma cells[J].Pigment Cell Res，1996,9(2):63-67.

[4] Cone R D,Lu D,Koppula S,et al.The melanocortin receptors:agonists,antagonists,and the hormonal control of pigmentation[J].Recent Prog Horm Res,1996,51:287-317,318.

[5] Hartmeyer M,Scholzen T,Becher E,et al.Human dermal microvascular endothelial cells express the melanocortin receptor type 1 and produce increased levels of IL-8 upon stimulation with alpha-melanocyte-stimulating hormone[J].J Immunol,1997,159(4):1 930-1 937.

[6] Box N F,Duffy D L,Chen W,et al.MC1R genotype modifies risk of melanoma in families segregating CDKN2A mutations[J].Am J Hum Genet,2001,69(4):765-773.

[7] 付冬丽.10个中国地方绵羊品种MC1R和ASIP基因多态性及其与毛色关联性分析[D].兰州：甘肃农业大学, 2013.

[8] 杨民红,李兰会.动物皮毛色泽形成机制研究进展[J].贵州畜牧兽医，2013,37(5):20-25.

[9] 刘晓妮,景炅婕,李宝钧,等.ASIP和MC1R基因的研究进展[J].中国草食动物科学,2015,35(1):42-46.

[10] Ito S.The IFPCS presidential lecture:a chemist’s view of melanogenesis[J].Pigment Cell Res,2003,16:230-236.

[11] Jiménez-Cervantes C,Solano F,Kobayashi T,et al.A new enzymatic function in the melanogenic pathway. The 5,6-dihydroxyindole-2-carboxylic acid oxidase activity of tyrosinase-related protein-1(TRP1)[J].J Biol Chem,1994,269(27):17 993-18 000.

[12] Jackson I J,Chambers D M,Tsukamoto K,et al.A second tyrosinase-related protein,TRP-2,maps to and is mutated at the mouse slaty locus[J].EMBO J，1992,11(2):527-535.

[13] Ghanem G,Fabrice J.Tyrosinase related protein 1 (TYRP1/gp75) in human cutaneous melanoma[J].Mol Oncol,2011,5:150-155.

[14] 崔嘉,孙守荣,苗鲁旭,等.TYRP1基因控制动物色素形成的研究进展[J].中国畜牧兽医，2009,36(9):94-96.

[15] 吴立娟,彭晓霞,梁小云,等.眼皮肤白化病遗传基因研究进展[J].广州医学院学报,2006,34(4):58-61.

[16] O'Reilly F M,Brat D J,McAlpine B E,et al.Microphthalmia transcription factor immunohistochemistry: a useful diagnostic marker in the diagnosis and detection of cutaneous melanoma, sentinel lymph node metastases, and extracutaneous melanocytic neoplasms[J].J Am Acad Dermatol,2001,45(3):414-419.

[17] 李春英.TRP-1在正常黑素细胞及恶性黑素瘤细胞中的作用研究[D].西安:第四军医大学,2003.

[18] Hearing V J.Biochemical control of melanogenesis and melanosomal organization[J].Journal of Investgative Dermatology Symposium Proceedings,1999,4(1): 24-28.

[19] Del Marmol V,Ito S,Jackson I,et al.TRP-1 expression correlates with eumelanogenesis in human pigment cells in culture[J].Febs Letters,1993,327(3):307-310.

[20] Zdarsky E,Favor J,Jackson I J.The molecular basis of brown, an old mouse mutation, and of an induced revertant to wild type[J].Genetics,1990,126(2):443-449.

[21] Javerzat S,Jackson I J.White-based brown (TYRP1B-w) is a dominant mutation causing reduced hair pigmentation owing to a chromosomal inversion[J].Mammalian Genome，1998,9：469-471.

[22] Boissy R E,Zhao H Q,Oetting W S,et al.Mutation in and lack of expression of tyrosinase-related protein-1(TRP-1) in melanocytes from an individual with brown oculocutaneous albinism:a new subtype of albinism classified as “OCA3”[J].The American Society of Human Genetics,1996,58:1 145-1 146.

[23] Manga P,Kromberg J G,Box N F,et al.Rufous oculocutaneous albinism in southern African Blacks is caused by mutations in the TYRP1 gene[J].Am J Hum Genet,1997,61(5):1 095-1 101.

[24] Kenny E E,Timpson N J,Sikora M,et al.Melanesian blond hair is caused by an amino acid change in TYRP1[J].Science,2012,336(6 081):554.

[25] Kausar T,Jaworek T J,Tariq N,et al.Genetic studies of TYRP1 and SLC45A2 in Pakistani patients with nonsyndromic oculocutaneous albinism[J].J Invest Dermatol,2013,133(4):1 099-1 102.

[26] Mukherjee M,Mukerjee S,Sarkar-Roy N,et al.Polymorphisms of four pigmentation genes (SLC45A2, SLC24A5, MC1R and TYRP1) among eleven endogamous populations of India[J].J Genet,2013,92(1):135-139.

[27] Rieder S,Taourit S,Mariat D,et al.Mutations in theagouti(ASIP),the extension (MC1R),and the brown (TYRP1) loci and their association to coat color phenotypes in horses (Equuscaballus)[J].Mamm Genome,2001,12(6):450-455.

[28] Schmutz S M,Berryere T G,Goldfinch A D.TYRP1 and MC1R genotypes and their effects on coat color in dogs[J].Mamm Genome,2002,13(7):380-387.

[29] Edward J Cargill,Thomas R Famula,Robert D Schnabel,et al.The color of a dalmatian’s spots: linkage evidence to support the TYRP1 gene[J].BMC Veterinary Research,2005,1(1):1-3.

[30] 俞剑熊,张雅丽,周子娟,等.拉布拉多犬与金毛猎犬毛色基因MC1R(R306ter)与TYRP1(Q331ter)SNP位点的检测[J].实验动物科学,2014,31(3):37-41.

[31] Lyons L A,Foe I T,Rah H C,et al.Chocolate coated cats: TYRP1 mutations for brown color in domestic cats[J].Mammalian Genome,2005,16(5):356-366.

[32] 朱艳菲,胡义洁,吴明明,等.红褐色乌苏里貉TYRP1基因的克隆及表达水平分析[J].遗传育种, 2014,50(11):17-22.

[33] Berryere T G,Schmutz S M,Schimpf R J,et al.TYRP1 is associated with dun coat colour in Dexter cattle or how now brown cow？[J].Anim Genet,2003,34(3):169-175.

[34] Gratten J,Beraldi D,Lowder B V,et al.Compelling evidence that a single nucleotide substitution in TYRP1 is responsible for coat-colour polymorphism in a free-living population of Soay sheep[J].Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences,2007,274(1 610):619-626.

[35] Ren J,Mao H,Zhang Z,et al.A 6-bp deletion in the TYRP1gene causes the brown colouration phenotype in Chinese indigenous pigs[J].Heredity,2011,106:862-868.

[36] Nadeau N J,Mundy N I,Gourichon D,et al.Association of a single-nucleotide substitution in TYRP1 with roux in Japanese quail(Coturnix japonica)[J].Animal Genetics,2007,38(6):609-613.

[37] 徐莹.TYR、TYRP1基因与朝鲜鹌鹑羽色相关性研究[D].洛阳:河南科技大学,2014.

[38] Krauss J,Geiger-Rudolph S,Koch I,et al.A dominant mutation in TYRP1A leads to melanophore death in zebrafish[J].Pigment Cell Melanoma Res,2014,27(5):827-830.

[39] 赵彦斌,孙兆增,白杰英,等.黑线仓鼠及其白化突变系TYR、TYRP1的基因表达水平比较分析[J].中国比较医学杂志,2012,22(7):1-4.

[40] Ko J M,Yang J A,Jeong S Y,et al.Mutation spectrum of the TYR and SLC45A2 in patients with oculocutaneous albinism[J].Mol Med Report,2012,5(4):943-948.

[41] 杨姗姗.Lpa-miR-nov-66在羊驼黑色素细胞中的作用研究[D].太谷：山西农业大学,2014.

[42] 李丽莎,李祥龙,毛艳朋,等.山羊TYRP1基因编码蛋白结构及功能的生物信息学分析[J].贵州农业科学，2015,43 (10):147-152.

(责任编辑：朱宝昌)

Research Progress of Animal Coat Color Candidate Gene in Tyrosinase Related Protein 1(TYRP1)

LI Li-sha1,LI Xiang-long2

(1 Agriculture University of Hebei,Baoding Hebei,071000；2 Hebei Normal University of Science & Technology；China)

TheTYRP1 gene and its coding protein structure, function, polymorphism and the relationship between the expression in different tissues and the formation of the coat color were summarized, and the research ofTYRP1 gene in the future was prospected.

TYRP1 gene;animal coat color;research progress

10．3969/J．ISSN．1672-7983．2015．04．002

河北省高校创新团队领军人才培育计划项目(项目编号：LJRC004)；河北省应用基础研究计划重点基础研究项目(项目编号：15962901D)；河北省科技计划项目(项目编号：15226302D)。

2015-11-04

S813.25

A

1672-7983(2015)04-0009-05

李丽莎(1989-)，女，在读硕士。主要研究方向：动物遗传育种。

*通讯作者，男，博士，教授，博士研究生导师。主要研究方向：动物遗传育种。E-mail：lixianglongcn@yahoo.com。