Discussion
Das Kit-Gen kodiert einen Zelloberflächenrezeptor, c-Kit, (Molekulargewicht 145-160 kd), der zur Familie der Immunglobulin-Gene gehört und in seinem zytoplasmatischen Teil eine intrinsische Tyrosinkinase-Aktivität besitzt. Die Interaktion von c-Kit mit seinem Liganden, dem Stahlfaktor, führt zur Dimerisierung des Rezeptors, zur Aktivierung der Kinase und zur Tyrosinphosphorylierung von zytoplasmatischen Proteinen. Das c-Kit-Gen wird auf Melanozyten, Gametozyten, Mastzellen, hämatopoetischen Stammzellen und interstitiellen Zellen von Cajal exprimiert. Somit ist der Kit-Tyrosinkinase-Membranrezeptor für die Melanogenese, die Gametogenese und die Hämatopoese während der Embryonalentwicklung und des postnatalen Lebens unerlässlich.
c-Kit wird in Melanoblasten während der Melanogenese ab dem Zeitpunkt exprimiert, an dem sie die Neuralleiste verlassen. Die Expression setzt sich während der Embryonalentwicklung fort. Es wird auch in den Melanozyten von postnatalen Tieren exprimiert. Daher äußern sich Mutationen des Kit-Gens bei Mäusen als dominante Weißfleckigkeit (W). Neben dem Kit-Gen könnten auch mehrere andere Gene, wie Pax3, Mitf und Sox10, am Phänotyp der Weißfleckigkeit beteiligt sein. Mutationen in diesen Genen sind mit Defekten in der Melanozytenentwicklung verbunden. W-Mutationen verändern entweder die kodierende Sequenz der Kit-Rezeptor-Tyrosinkinase, was zu einem Rezeptor mit eingeschränkter Kinaseaktivität führt, oder beeinträchtigen die Kit-Expression. W-Mutationen, die die Kit-Expression beeinträchtigen, befinden sich häufig in der regulatorischen Sequenz. Das KitW-57J-Allel beeinträchtigt beispielsweise das zeitliche und räumliche Muster der Kit-Expression, so dass KitW-57J/KitW-57J-Mäuse ein unregelmäßiges Fleckenband, eine fehlende Pigmentierung an Füßen und Schwanz sowie eine Kopfblässe aufweisen. Das KitW-57J-Allel umfasst eine 80 kb-Deletion am 5′-Ende der Kit-kodierenden Sequenz. Die KitW-bd- und KitW-sh-Allele beeinflussen auch das Kit-Expressionsmuster während des Entwicklungsstadiums, und sowohl die KitW-bd/+ als auch die KitW-sh/+-Mäuse zeigen eine weiße Bande in der Rumpfregion. Beide Allele sind mit einer genomischen Inversion in der 5′-Region des Kit-Gens verbunden. Diese Befunde deuten darauf hin, dass die Dysregulation der Kit-Expression die Entwicklung der Melanoblasten beeinträchtigt und dadurch die weißen Flecken in den mutierten Mäusen auftreten.
Wir fanden die Insertion der ERV-Sequenz im Intron 1 des Kit-Gens der Ratte. ERV-Sequenzen sind das Ergebnis sowohl alter als auch moderner Infektionen mit exogenen Retroviren, die sich erfolgreich in der Keimbahn ihres Wirts angesiedelt haben. Die ERV-Insertion unterbricht die proteinkodierenden Gene des Wirts oder verändert die Genexpression, indem sie das Spleißen beeinträchtigt oder neue Signale für die Initiierung, Regulierung oder Beendigung der Transkription liefert. Die ERV-Insertionen des ersten Introns mit Antisense-Orientierung führen bei Mausmutanten zu kleinen und niedrigeren Transkriptionsmengen oder zu abweichendem Spleißen. Daher gehen wir davon aus, dass die ERV-Insertion, die wir im Hooded-Allel gefunden haben, eine Dysregulation der Kit-Expression hervorrufen kann und dadurch das spezifische Hooded-Muster verursacht.
Wir haben auch die solitäre LTR-Sequenz im Irish-Allel gefunden. Bei Mäusen ist bekannt, dass die interne ERV-Sequenz durch homologe Rekombination zwischen den 5′- und den 3′-LTRs deletiert wird, so dass eine solitäre LTR zurückbleibt. Eine solche Deletion kehrt den Phänotyp der Mutante in den Wildtyp um oder schwächt gelegentlich den Phänotyp der Mutante ab. Letzteres ist bei der Reversion des Maus-Nonagouti (a) in das Black-and-Tan (at) oder das White-Bellied Agouti (Aw) der Fall. Die a-Insertion besteht aus einem 5,5-kb-VL30-Element, in das intern 5,5 kb zusätzlicher Sequenz eingebaut wurden; diese interne Sequenz wird von direkten 526-bp-Wiederholungen flankiert. Homologe Rekombination unter Verwendung der direkten 526-bp-Wiederholungen erzeugt das at-Allel, das nur das VL30-Element mit einer einzigen internen 526-bp-Wiederholung enthält. Durch homologe Rekombination unter Verwendung der VL30-LTRs entsteht das Aw-Allel, das nur ein einzelnes LV30-LTR enthält. Die Ratte Irish (hi) hat einen weißen Fleck auf dem Bauch zwischen und hinter den Vorderbeinen. Daraus schließen wir, dass die solitäre LTR im Irish-Allel ebenfalls durch homologe Rekombination zwischen den 5′- und 3′-LTRs des Ratten-ERVs entstanden sein könnte, das in das Hooded-Allel eingefügt ist, und dass das Irish-Allel aufgrund der verbleibenden solitären LTR eine partielle Revertante des Hooded-Allels ist.
Farbvariationen haben in der Vergangenheit eine wichtige Rolle in genetischen Studien zum Verständnis der Grundlagen der Vererbung gespielt. So liefert die Identifizierung der ursächlichen Mutation der Farbvariationen und die anschließende Untersuchung der vorhandenen Stämme Einblicke in den Ursprung der Fellfarbenmutationen. Da die Fellfarbvariationen bereits in den frühen Tagen der Domestizierung der Ratte festgestellt wurden, könnte ein solcher molekulargenetischer Ansatz neue Erkenntnisse über die Etablierung von Laborrattenstämmen liefern. In der vorliegenden Studie konzentrierten wir uns auf die ältesten Farbvariationen der Ratte, Albino und Hooded.
Wir sammelten Gewebe oder DNA von Rattenstämmen aus der ganzen Welt, um alle möglichen Albino- oder Hooded-Mutationen zu erfassen, die noch in Laborrattenstämmen vorhanden sind. So scheint es sehr wahrscheinlich, dass alle bisher entwickelten Albino-Laborrattenstämme nur eine einzige gemeinsame Mutation aufweisen: 299His im Tyr-Gen. Die meisten vorhandenen Albinorattenstämme stammen von Albinostämmen oder -beständen des Wistar-Instituts oder von Kreuzungen zwischen Wistar-Albinoratten und anderen Ratten, einschließlich Wildratten, ab. Die übrigen Albinoratten stammen nicht direkt vom Wistar-Institut ab (Tabelle S1). Die DON-Stämme, die Ihara-Rattenstämme und die TO-Stämme wurden in Japan etabliert, während die F344-Stämme und der HTX-Stamm in den USA und die Yagil-Rattenstämme in Israel etabliert wurden. Sie tragen auch die gleiche Tyr-Mutation. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Vererbung aller Albino-Ratten auf eine Ratte mit der Albino-Mutation zurückgeführt werden kann.
Außerdem haben wir festgestellt, dass alle untersuchten Albino-Stämme die 7.098-bp-ERV-Insertion im Kit-Gen ohne Ausnahme teilen. Nach Donaldson muss es vor der Etablierung des Wistar-Albinostamms sowohl Albino- als auch Kapuzenstämme gegeben haben. Angesichts der einheitlichen Genotypen für die Albino- und Hooded-Mutationen in den Albino-Rattenstämmen schlagen wir zwei mögliche Szenarien für die Etablierung der Albino- und Hooded-Stämme vor. Das wahrscheinlichste ist, dass die Albinomutation bei einer Ratte aus einem Hooded-Stamm auftrat. Von dieser Kolonie wurden die ersten Albinoratten entdeckt und als Gründer der Albinoratten verwendet. Einige Albinoratten wurden in das Wistar-Institut eingeführt und einige wurden für die Entwicklung von Wistar-unabhängigen Albinostämmen verwendet (Abb. 4). Ein anderes Szenario ist, dass Albinorattenstämme unabhängig von Kapuzenrattenstämmen entwickelt wurden und anschließend eine Kreuzung zwischen den Albino- und den Kapuzenrattenstämmen erfolgte. In den aus dieser Kreuzung hervorgegangenen Beständen müssen Albinoratten vorhanden sein, die entweder das Hooded- (h) oder das Self-Allel (H) tragen. In Anbetracht der in dieser Studie erbrachten Nachweise wurden Albinoratten mit einem bestimmten Genotyp (h/h, c/c) „zufällig“ ausgewählt und für den Aufbau des Albinorattenbestands verwendet. Dieser neu etablierte Albinobestand wurde in das Wistar-Institut eingeführt, und einige Ratten wurden für die Entwicklung der Wistar-unabhängigen Albinobestände verwendet (Abb. 4). Da bei unserer Untersuchung keine Albinoratte ohne die kapuzenförmige ERV-Insertion gefunden werden konnte, erscheint das zweite Szenario sehr unwahrscheinlich und ist lediglich hypothetischer Natur. Daher ist es sehr wahrscheinlich, dass der Hooded-Stamm früher als die Albino-Stämme entwickelt wurde und die Albino-Missense-Mutation bei einer Hooded-Ratte auftrat.
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Szenario 1: Die Albinomutation (299His) trat bei einer Ratte des Kapuzenrattenstamms (Piebald) auf. Aus dem Bestand wurde der Albinostamm aufgebaut. Dann wurden sie in das Wistar-Institut eingeführt, und einige Albino-Ratten wurden für die Einrichtung der Wistar-unabhängigen Bestände verwendet. Szenario 2: Der Albinobestand, der sich auf eine Albinoratte mit der 299His-Mutation zurückführen lässt, und der Kapuzenbestand (gescheckt) wurden unabhängig voneinander aufgebaut. Es kam zu einer Kreuzung zwischen dem Albino- und dem Hooded-Bestand. In den aus dieser Kreuzung hervorgegangenen Beständen müssen Albinoratten vorhanden sein, die entweder das Hooded- (h) oder das Self-Allel (H) tragen. Die Albinoratten mit einem bestimmten Genotyp (h/h, c/c) wurden „zufällig“ ausgewählt und zur Etablierung des Albinorattenbestandes verwendet. Ein solcher neu etablierter Albinobestand wurde in das Wistar-Institut eingeführt und einige Ratten daraus wurden für die Entwicklung der Wistar-unabhängigen Albinobestände verwendet.
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0043059.g004