MC1R信号通路在红罗非鱼体色分化变异中的作用及其调控机制

Skin color differentiation and variation is the main problem limiting red tilapia aquaculture. In this study, gene sequence, expression profiles and protein location will be investigated based on the fact that MC1R signaling pathway was high abundance and significant difference expression in different skin color types of red tilapia; And skin melanocytes are to cultured in red tilapia. Mc1r gene function are to analysis through RNA interference and recombinant protein; Then we will further analysis the MC1R regulation mechanism in skin color differentiation and variation of red tilapia by mc1r gene and α-MSH and asip interactions, and microRNA regulation research. The results would not only help to reveal the molecular mechanism of skin color differentiation and variation in red tilapia, and would provide important guide for breeding of the specific strain with consistent skin colors of red tilapia, so as to realize the unity of academic meaning and actual value.

针对限制红罗非鱼养殖业的体色分化变异问题，在前期证实MC1R调控通路在不同体色红罗非鱼皮肤转录组文库中高丰度显著差异表达的基础上，进行mc1r基因的RACE-PCR克隆、表达特性和基因定位研究，并培养红罗非皮肤黑色素细胞。在此基础上，通过阻断（RNA干扰）和诱导（重组蛋白）mc1r基因，解析mc1r基因的功能；并进一步通过mc1r基因与通路中促黑色素细胞激素（α-MSH）和asip基因的相互作用，以及microRNA的调控研究，从体内外角度全面深入的探究MC1R信号通路在红罗非鱼体色分化变异中的调控机制。研究结果不仅有助于深入揭示红罗非鱼体色分化变异的分子机制，并且对选育体色稳定一致的红罗非鱼新品种具有重要的指导意义，从而实现该研究学术意义与应用价值的统一。

近年来，红罗非鱼在我国的养殖面积不断增大，而在遗传选育过程中出现的体色分化以及养殖越冬期间的体色变异成为限制其产业化发展的瓶颈。其体色分化变异的遗传分子机制目前尚不清楚。本研究首先探讨了红罗非鱼mc1r基因的序列特征、表达特性和定位。其ORF为1056 bp，编码351个氨基酸，mc1r mRNA主要表达于PB鱼（粉红色带有大面积的黑斑）的脑和背部皮肤组织。mc1r基因在胚胎和早期发育阶段有表达，在孵化后24h、 48h和卵裂期表达量高。免疫荧光分析显示，Mc1r蛋白主要集中在皮肤表皮的细胞质和细胞间质中。接着通过RNA干扰和体内ɑ-MSH注射试验阐释其功能和调控途径，红罗非鱼mc1r dsRNA干扰影响黑色素合成通路相关基因的表达。体外红罗非鱼皮肤黑色素细胞随着ɑ-MSH浓度的升高和时间的延长，其增殖加快。ɑ-MSH尾静脉注射可显著提高红罗非鱼皮肤酪氨酸酶活性和黑色素水平，ɑ-MSH注射后，红罗非鱼皮肤mc1r和tyr mRNA表达增加。最后进一步研究了背景色和miR-138-5p的调控作用，并首次证明了内分泌系统在红罗非鱼体色变异中的重要作用。养殖环境的背景影响红罗非鱼的表观体色、皮肤L*、a*和b*值、血清MSH水平和mch、pomc、mc1r和tyr基因mRNA表达。随着黑色和白色背景色的适应，红罗非鱼呈现出可逆的体色变化。通过双荧光素酶报告研究，确定miR-138-5p和MC1R的相互作用。以上结果表明，mc1r基因通过MSH-Mc1r信号通路调控红罗非鱼的黑色素合成通路，从而在其体色分化变异中发挥重要作用。项目的研究结果不仅有助于深入揭示红罗非鱼体色分化变异的分子机制，并且对获得关键调控基因，通过基因编辑等手段选育体色稳定一致的红罗非鱼新品种具有重要的指导意义，从而促进产业升级。