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最新鲜热辣的纹路基因解析——水磨石Terrazzo

水磨石基因来自于原产地在佛罗里达礁岛群Florida Keys的玉米蛇种群。该种群曾被认为是一亚种“rosacea”，也就是圈内说的“玫瑰玉米蛇”。

图2：红色箭头为其原产地佛罗里达礁岛群(数标12)
水磨石玉米蛇整体体色偏淡，黑色素减少，幼体具有两条红色的背部纵向条纹，几乎贯穿全身，底色为橙色。这些纵向条纹被极细的黑色线条勾勒出来，黑线的厚度在个体之间和身体不同部位有所变化，也可能完全消失。
随着时间的推移，幼蛇成长后，背部和侧面的条纹仍然保持在身体前部，而后半部分则呈现整体的灰橙色斑点状，无明显的花纹（图 1b）。
水磨石的虹膜也呈现斑点状，而不是野生型玉米蛇的红色。
水磨石玉米蛇腹部的棋盘纹消失，表现为前半部分的纯白色，在向后延伸时逐渐变为红色

图3：a为原色玉米蛇，b为水磨石基因玉米蛇。
由此对比，可见水磨石基因主要改变了原色玉米蛇的花纹，也对体色有一定影响。
为进一步探索花纹改变的机制，科研人员比较了两者的基因差异，定位到Premelanosome protein（PMEL，前黑素体蛋白）基因上的破坏性突变；进一步的，发现水磨石玉米蛇PMEL基因中发生突变的外显子的mRNA表达量几乎检测不到，这会导致PMEL合成受阻，PMEL含量显著降低。

图4：a示水磨石突变位点，b示水磨石突变区域PMEL外显子8-10的mRNA几不可测
为了确认PMEL是否参与了玉米蛇的正常斑块形成过程，科研人员构建了PMEL基因敲除（KO）玉米蛇。这些基因敲除个体表现出与Terrazzo个体相似的条纹表型（striped phenotype）。大部分PMEL敲除型表现为c，各方面表现与水磨石基因高度类似，少数个体（共3只）表现为d与e的乱纹，虽然不是直线模式，但也明显不是原色的斑块模式，同时腹部棋盘纹消失，应证了PMEL在花纹形成中的作用，PMEL的变化会引起纹路发生改变。

图5：PMEL敲除型与原色和水磨石基因对比
使用透射电子显微镜（electron microscopy, EM）进一步观察野生型、水磨石及PMEL敲除个体的黑色素细胞（melanophores）、黄色素细胞（xanthophores）和虹色素细胞（Iridophores）的亚细胞结构变化以及在花纹和底色上色素细胞构成的不同。
黑色素细胞的变化：水磨石与PMEL敲除型黑色素细胞体积变小，形状不规则（原本椭圆形）。
黄色素细胞的变化：水磨石与PMEL敲除型黄色素体主要填充的是无定形物质（amorphous material），而正常情况下应该是同心层状结构（concentric lamellae）。
虹色素体区别不明显。

图6：示水磨石与PMEL敲除型黑色素细胞和黄色素细胞发育异常。
在野生型个体中，黑色素细胞和黄色素细胞主要分布在斑块区域，而底色主要由黄色素细胞和虹色素细胞组成，仅有少量黑色素细胞。
在水磨石和PMEL敲除型中，表皮层和真皮层的黑色素细胞稀少，而条纹（stripes）内有大量黄色素细胞；相比之下，背景区域主要由表皮黑色素细胞和虹色素细胞组成。此外，背景区域中可能也存在少量黄色素细胞。
基于这种色素细胞的分布模式（尤其虹色素细胞），科研人员推测水磨石的条纹大致对应于野生型个体的斑块。在身体后部的斑点状颜色区域（speckled colouration），可以观察到所有类型的色素细胞（纹路融合）。
（与我们之前的结论相符：深色为斑块/花纹，浅色为底色）

图7：Terrazzo 成年个体皮肤的透射电子显微镜（TEM）成像。
(a) 红色背部条纹区域，(b) 条纹之间的背景区域，(c) 后部身体皮肤的斑点状颜色区域。
图中标注：
ep mel：表皮黑色素细胞（epidermal melanophore）
d mel：真皮黑色素细胞（dermal melanophore）
xan：黄色素细胞（xanthophore）
iri：虹色素细胞（iridophore）
cf：胶原纤维（collagen fibers）
比例尺：5μm。
PMEL在蛇类发育过程中的时空表达模式
对不同发育阶段的玉米蛇胚胎进行了整体原位杂交（whole-mount in situ hybridisation）实验，利用PMEL探针追踪野生型动物的斑块形成过程。
在原色玉米蛇中，PMEL 首次在S3阶段表达，主要在形成两条背部条纹的单个细胞中。此时，神经管上的皮肤非常薄，体腔在腹侧仍然开放，因此认为胚胎的左右两侧独立发育。
S4-S5阶段（图 8a, b）：更多细胞表达 PMEL。在靠近头部的前部区域，神经管上的皮肤变厚，并聚集了大量表达 PMEL 的细胞。
在躯干部，标记细胞开始形成聚集体，但左右两侧的排列不对称。
在S5阶段，鳞片始基（scale placodes）开始出现，形成无 PMEL 表达的区域。
到S6阶段（图 8c），神经管上的皮肤完全发育，鳞片始基完全覆盖胚胎皮肤。此时，PMEL 阳性细胞的聚集体已不再明显，可能与染色效果有关。
S7-S9 阶段（图 8d-f）：
这些标记细胞的聚集体逐渐变得更加清晰可见，最终呈现出类似于成年个体背部斑块的形态，并且左右两侧的排列趋于一致。

图8：原色玉米蛇胚胎的PMEL表达情况，S4-9代表胚胎发育期，数字越大发育期越靠后。展示胚胎身体前段与中断。
在Terrazzo胚胎中无法检测到PMEL的表达，可能是因为其表达水平过低，或者表达该基因的细胞数量减少。而色素细胞模式化过程受阻，导致色素细胞聚集体和斑块无法形成，加上左右两侧独立发育的初始模式，最终呈现出条纹状的表型。我们进一步使用单细胞实验鉴定的色素细胞前体标记基因进行整体原位杂交实验，结果显示水磨石的色素细胞总数减少。

图9：原色与水磨石胚胎的整体原位杂交实验（使用MLANA和GPNMB基因探针）
因此，研究表明：在野生型玉米蛇中，形成斑块所需的色素细胞数量存在一个最低阈值（minimum number of chromatophores），当色素细胞数量过少时，无法形成正常的斑块模式，导致水磨石的条纹表型。
参考文献
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撰稿人：林一恒 中国科学院成都生物研究所 动物学博士生
中小保两栖爬行动物分会 秘书长
图片编辑：常梓new