洞穴適應是一種極端而有趣的生物學現象。在兩棲動物中，紅點齒蟾（Oreolalax rhodostigmatus）很好地適應了洞穴生活，其蝌蚪常年生活于喀斯特地貌的溶洞中，皮膚透明；而其成體則需要在洞外捕食，背部皮膚整體呈現深黑色。同時，暴露于自然光下的蝌蚪會在15小時候從透明變為灰黑色。提示其色素系統特別，既需要保證無光條件下極低的色素分布，又要保證光照下迅速的皮膚色素覆蓋，以抵御紫外線。
圖1 光線暴露下紅點齒蟾的快速黑化現象。
針對這一有趣的現象，中國科學院成都生物研究所江建平研究團隊的朱未、王斌等人比較了不同光照時間暴露后紅點齒蟾的基因表達變化，發現光照下紅點齒蟾蝌蚪皮膚黑化的本質是黑色素細胞的增殖和黑色素的從頭合成（形態學顏色改變），而非色素在細胞內的分散與聚集（生理學顏色改變）。一般而言，形態學顏色改變的速率遠遠慢于生理學顏色改變（數小時），往往需要數天到數周的時間才能觀察到明顯的變化。那么紅點齒蟾蝌蚪是如何實現快速的形態學顏色改變呢？分析表明，光照激活了強烈的細胞增殖和分裂信號，包括：各類生長因子（PDGF、FGF、HGF等）信號及其下游的MAPK信號和PI3K-Akt信號，其為快速的形態學改變提供了基礎。
更為重要的是，該團隊發現紅點齒蟾的M1CR基因（黑素細胞刺激荷爾蒙受體）的第二跨膜螺旋與第三跨膜螺旋之間的胞外區存在4個氨基酸片段的缺失，該區域位于MC1R配體結合域。MC1R是黑色素細胞增殖和色素合成的關鍵受體，其配體為帶正電荷的α-MSH（黑色素細胞刺激荷爾蒙），其受紫外線刺激而釋放。蛋白三維重構表明，該片段缺失導致紅點齒蟾的MC1R第三跨膜螺旋延長，同時使得3個Asp殘基（其他蛙僅1個）串聯排列于配體口袋中，形成一個帶負電荷的陷阱樣結構，從而增強對MSH信號的響應，實現快速黑化。另外，研究證實了MC1R配體結合域的正電荷水平與其本底活性正相關，自然界的許多黑化現象（如：黑化美洲豹、黑化老鼠、黑化狐貍等）均與該區域的堿化或去酸化突變有關。紅點齒蟾MC1R的配體結合域有3個Asp負電荷，可以推測其具有較低的本底活性，也為洞穴環境下的透明表型提供了解釋。因此，MC1R的片段缺失和氨基酸突變是紅點齒蟾在色素調節方面適應洞穴環境的關鍵。該研究首次揭示了MC1R突變與兩棲類色素適應的關聯，也為非專性洞穴物種的顏色適應機制提供了新的視角。相關成果發表于BMC genomics。
該研究獲得了院重點部署項目，自然科學基金面上項目和西部之光項目的支持。
圖2 紅點齒蟾MC1R基因片段缺失及其對三維結構和電荷性質的影響。
圖3 MC1R的突變解釋了紅點齒蟾如何實現洞穴中維持透明表型以及光照下快速色素生成。