虎的毛色多样性和白虎性状的遗传机制研究

Coat color and pattern are prominent morphological features in mammals and play essential roles in species' camouflage and survival. The tiger is symbolized by its black stripes and orange fur background, yet the genetic basis underlying this remarkable coat formation remains unknown. White tiger, different from "albino tiger", is an elusive autosomal recessive variant of wild Bengal tiger and exhibits dark stripes against white coat. It has fascinated general public and scientific community ever since its discovery and serves as a unique genetic model to study mammalian coat color formation particularly the tiger's morphogenesis. Based on a pedigree of captive tigers with phenotype segregation, the goal of this project is to fine-map the mutations responsible for the white tiger coat color with state-of-art technologies in genomics and molecular genetics, by applying next-generation genome sequencing platform and linkage mapping. Subsequent functional studies of the identified mutations will be carried out to detect differential expressions of the related genes in the melanin synthesis pathway in white vs. orange tiger skin. This study will contribute to understanding the genetic basis that leads to coat color phenotype in the white tiger and tiger in general, thus supporting the current efforts to conserve tiger genetic diversity. It will also increase our knowledge of color development in mammalian skin and hair, and potentially sheds insights on its importance to species evolution and adaptation.

毛色和斑纹是哺乳动物显著的表型性状, 对物种的隐蔽性和适应性具有关键作用。褐黄底色黑条纹作为虎标志性的毛色特征，其遗传和调控机制至今仍未确定。白虎，不同于白化虎，是野生孟加拉虎自然存在的一种单基因隐性突变性状（白底色黑条纹），一直受到公众的关注并被广泛地圈养繁育，同时也是研究哺乳动物尤其是虎的毛色决定机制的独特体系，具有极高的科研价值。本课题已从动物园采集特有的具有谱系遗传关系和性状分离的突变型和野生型的虎样品，将整合基因组学和分子遗传学方法，利用第二代高通量测序技术，对导致虎毛色变异的基因进行遗传连锁精确定位, 并检测白虎和黄虎皮肤组织中白虎决定基因和其它黑色素合成关键基因的表达差异。本研究不仅将在分子水平揭示虎毛色多样性和白虎性状的遗传机制，为虎的遗传多样性保护奠定坚实的基础，同时也将进一步丰富和完善我们对哺乳动物毛色和肤色形成机理的认知，并对其在生物进化和适应中的意义提供重要的启示。

毛色和斑纹是哺乳动物显著的表型性状, 对物种的隐蔽性和适应性具有关键作用。褐黄底色黑条纹作为虎标志性的毛色特征，其遗传和调控机制至今仍未确定。白虎，不同于白化虎，是野生虎自然存在的一种单基因隐性突变性状（白底色黑条纹），一直受到公众的关注并被广泛地圈养繁育，同时也是研究哺乳动物尤其是虎的毛色决定机制的独特体系，具有极高的科研价值。除了白虎以外，还存在另一常染色体隐性遗传的金黄色底色棕黄条纹的金虎毛色型。近一个世纪的圈养繁殖记录显示携带双隐性突变的虎毛色型则表现为底色纯白几无条纹的雪虎。关于虎的毛色多样性是否遗传缺陷还是自然的遗传多样性一直存在争议，而揭示其遗传机制则是解决这些争议的关键。本课题利用高通量测序平台，对圈养虎种群进行谱系分析，分别选择了白虎和金虎性状分离的两个家系，通过RAD-seq进行全基因组遗传连锁分析，并对其中3只亲本个体进行全基因组重测序，由此确定了白虎由SLC45A2基因的单氨基酸突变A477V所致，金虎由CORIN基因的单氨基酸突变H587Y决定。对谱系外无亲缘关系的约200只虎的基因型分析确定雪虎是SLC45A2 A477V和CORIN H587Y双纯合子。为彻底揭示虎的毛色多样性形成的分子生物学机制，我们通过计算结构生物学手段预测了SLC45A2蛋白质三维结构模型，揭示SLC45A2是一个具有12个跨膜区的转运蛋白，A477V突变阻碍了转运孔道的畅通，从而影响其黑色素通路中的功能。在细胞水平验证出发生点突变H587Y的蛋白质CORIN相对于野生型CORIN对ASIP和EDN3的作用减弱，因此从功能水平上确认CORIN H587Y点突变的确直接影响黑色素合成的通路，从而导致金虎毛色色型的产生。本研究不仅在分子水平揭示虎毛色多样性的遗传机制，为虎的遗传多样性保护奠定坚实的基础，同时也进一步丰富和完善我们对哺乳动物毛色形成机理的认知，并对其在生物进化和适应中的意义提供重要的启示。