犬基因組學(xué)研究進(jìn)展

馬荊鄂 楊 靜 邱峰芳 徐振強(qiáng) 劉清神

犬屬于脊椎動物門，哺乳綱，食肉目，犬科，犬屬，又名狗，是自然界中種類遺傳多樣性最為豐富的物種之一。目前, 世界家犬品種已超過400 種, 總共約有4億頭，其中大部分為西方培育品種。犬基因組由38 對常染色體和1 對性染色體組成。性染色體都為雙臂，X 染色體較大為亞中間著絲粒型，而Y 染色體是所有犬染色體中最小的，為中間著絲粒型；38 對常染色體都屬于近端著絲粒類型，染色體形狀和大小非常接近，難以區(qū)分。

在基因組計劃啟動之初，由于家犬并未作為基因組研究的模式動物，且犬不屬于重要的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)動物，因此與人類、小鼠、豬和牛等動物相比，犬基因組相關(guān)研究開展相對滯后。20 世紀(jì)90年代末，科學(xué)家意識到犬作為人類疾病的動物模型，以及其基因組在研究哺乳動物生長、發(fā)育及進(jìn)化的遺傳本質(zhì)上有重要的應(yīng)用前景，近二十年來，犬基因組的研究越來越受研究人員的青睞。

一、犬的起源與進(jìn)化

早在達(dá)爾文時期，人們對犬的起源產(chǎn)生了疑問，他們認(rèn)為犬可能來源于野狼、北美小狼，或者是豺狼類動物。人們對物種起源研究的思路大多是對母系遺傳進(jìn)行研究，由于線粒體DNA 存在于細(xì)胞質(zhì)中，在世代傳遞時呈母系遺傳且不發(fā)生重組。因此，人們常常通過線粒體DNA 來研究物種起源。

哺乳動物線粒體基因組 (mtDNA)由37個基因和一段長度可變的非編碼序列(又稱控制區(qū)或D-loop)組成。37個基因中包括13個蛋白質(zhì)基因，2個rRNA 基因和22個tRNA 基因。其中，13個蛋白質(zhì)基因分別是細(xì)胞素C 氧化酶的三個亞基Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ (COⅠ、CO Ⅱ和CO Ⅲ)，細(xì)胞色素b 基因 (Cytb)、ATP 合成酶亞基ATPase6 和ATPase8 和NADH 脫氫酶七個亞基的基因NDl，ND2，ND3，ND4，ND4L，ND5，ND6 （圖1）。

圖1 動物mtDNA 基因組全序列結(jié)構(gòu)示意圖（www.shengwuxiu.com）

最初，人們認(rèn)為犬是起源于100,000年前。1997年，Vila 等首次采用線粒體測序法對犬的起源進(jìn)行了研究，作者選取了27個地區(qū)（歐洲、亞洲、北美等）的162 頭狼，67個品種的140 頭犬，以及其他犬科動物包括5個土狼品種 、2個金色背品種、2個黑色背品種、8個豺狼品種，對其線粒體DNA 的調(diào)控區(qū)域(261bp)進(jìn)行測序。研究表明狼相對于其他品種，線粒體DNA 更接近于犬等基因組，進(jìn)而推斷狼可能是犬的祖先。2002年Savolainen 等對犬的起源進(jìn)行了研究。文中選取來自不同區(qū)域的654 頭犬的mtDNA 進(jìn)行序列比對分析，結(jié)果顯示犬的線粒體中大于95%的序列與狼的序列相似，進(jìn)一步證明了犬的母系遺傳起源于狼。文中先將不同品種的基因型進(jìn)行分簇，篩選出品種間特有的單倍型，并計算出它們之間的遺傳距離，研究結(jié)果表明犬起源于15000年前，其起源地是東亞。Leonard 等也于2002年采用線粒體測序法對拉丁美洲和阿拉斯加古代樣本進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代的美洲犬種源于多個古老的支系，而這些支系都是伴隨10000年前的人類穿越白令海峽進(jìn)入美洲的。

已上的研究表明， 家犬在不同地區(qū)的群體間存在很大的基因交流， 如果采用中等進(jìn)化速度的遺傳標(biāo)記是無法將地區(qū)間的群體區(qū)分開來，因此選用進(jìn)化速度快的mtDNA 作為研究家犬進(jìn)化的遺傳標(biāo)記比較適合。但是由于現(xiàn)代家犬品種形成的時間短，大多數(shù)犬品種形成單獨的生殖隔離的時間小于400年，線粒體DNA分析法不能有效地區(qū)分不同地理的家犬品種和個體之間的親緣關(guān)系。Neff 等選取了7個牧羊犬品種和2個獵犬品種進(jìn)行研究，結(jié)果表明它們雖然來源于不同地理區(qū)域，但是帶有同源的mdr1-1Δ 等位基因。由此可見，需要進(jìn)一步分析基因組中標(biāo)記基因之間的同源關(guān)系，來揭示家犬品種和個體之間的親緣關(guān)系。

2003年，Koskinen 等利用細(xì)胞核的微衛(wèi)星定位技術(shù)對犬品種進(jìn)行溯源，得出它們之間的遺傳距離。2010年，VonHoldt 等對來自于北美、歐洲、東亞和中東的912 頭犬（代表85個品種）以及225 頭野生灰狼的基因組進(jìn)行了比較，使用了分子遺傳技術(shù)，分析了所有實驗動物基因組DNA 中的4.8 萬多個遺傳標(biāo)記。研究發(fā)現(xiàn)，從法國的獅子犬到德國的牧羊犬，所有的家犬都是起源于中東，而非之前研究所認(rèn)為的東亞。這些研究表明，微衛(wèi)星DNA 技術(shù)結(jié)合數(shù)量遺傳學(xué)的應(yīng)用是分子水平上物種親緣關(guān)系研究的一個有效工具。

二、犬品種之間的遺傳變異

家犬形態(tài)各異，體長、體型、毛色、毛質(zhì)均表現(xiàn)出多樣性（圖2），這種變異的遺傳機(jī)制引起了研究人員的廣泛關(guān)注。

圖2 根據(jù)尺寸、腿長短、毛發(fā)、顏色、頭型進(jìn)行分類。A :蘇俄牧羊犬; B:巴吉度獵犬(矮腿獵犬); C:吉娃娃 ; D:巨型雪納瑞; E:卷毛比熊犬; F:柯利犬;G:法國牛頭犬; H:達(dá)克斯獵犬; I:德國短毛指示獵犬; J:蝴蝶犬;K:拿破倫犬。

2003年，Kirkness 等開始對犬的核染色體進(jìn)行研究。這項研究表明1.93 萬個犬基因中，至少有18473個與人類已識別的基因同源，而小鼠基因組中只有18311個與人類同源的基因；人、犬基因組之間相似性比人和鼠以及鼠和犬基因組之間的相似性大。另外，通過基因比對分析發(fā)現(xiàn)，犬有360 多種遺傳疾病與人類的遺傳病相同。由此，科研人員計劃對犬的基因組圖譜進(jìn)行繪制。2005年，Lindblad-Toh 等成功拼接得到了家犬的基因組序列。在分析了60 種不同品系的犬后，選擇了基因組比較保守的拳師犬（boxer）為這次測序的目標(biāo)動物，從而得到了最為可靠的基因組序列。

基因組測序完成以后，犬的基因組變異成為了研究的熱點。2004年，Parker 等首先對犬的品種之間的遺傳差異進(jìn)行了研究，選擇了85個純種犬品系的414 頭犬進(jìn)行了分子標(biāo)記遺傳相關(guān)性檢測。結(jié)果表明各個品系都具有相應(yīng)的一套分子標(biāo)記物，其序列在特定品系的不同個體之間的相似程度要明顯高于不同品系個體之間的，而不同品系之間的差異可用于解釋大約30%的遺傳學(xué)變異。利用遺傳分簇的方法證明了85個品種都有相似的地理起源、行為和形態(tài)特征。

2007年P(guān)arker 等對132個犬品種的眼部性狀的遺傳變異進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)柯利犬眼部異常是一種遺傳病。在患病的犬基因組中，37 號染色體上的NHEJ1 基因中存在7.8kb 的同源性缺失。之后，2012年Mellanby等選取了來自英國的13個犬品種，通過品種間遺傳距離的分析，得出了兩兩品種之間的近交率，各個品種之間的差異顯著（P＜0.01）。實驗結(jié)果表明：大多數(shù)品種表現(xiàn)出高度的純合性，其中拳師犬和西部高地白犬的純合度最高，近交率最低；而羅威納犬和金毛獵犬之間的近交率最高，品種的多樣性正在隨歲月的流逝而逐漸減少。

這些結(jié)果表明：所有的犬都可以被認(rèn)為是一個單一的群體，其觀測雜合度是8×10–4，這與在人群體中發(fā)現(xiàn)的觀測雜合度是一致的。然而，犬品種之間的遺傳變異大于27%，單核苷酸多態(tài)的平均遺傳距離是0.36。由于犬品種隔離制度， 不同品種犬之間已產(chǎn)生較大的遺傳分化，遺傳差異達(dá)30%，明顯高于不同人種之間的差異（5%～10%），在家畜不同品種間的遺傳差異是最高的。同時，品種之間的隔離導(dǎo)致了品種內(nèi)的遺傳分化率比較低（5%～10%），這與在人群體中報道的一致。

三、犬基因定位

自從“犬基因組計劃”完成以后，犬的全部基因密碼得以成功破解。近年來，分子遺傳標(biāo)記在犬的應(yīng)用越來越廣泛。一些分子生物學(xué)家、 遺傳育種工作者致力于對家犬外貌特點和生理特性進(jìn)行研究，對其相關(guān)的質(zhì)量性狀和數(shù)量性狀進(jìn)行了分子標(biāo)記檢測和分析。

家犬形態(tài)不一，大小各異，是研究遺傳變異的良好動物模型。2007年，Karlsson 等通過全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS)對服從簡單孟德爾的遺傳性狀進(jìn)行了定位。同年，Sutter 等分別選取了小型犬（<9kg）和大型犬（>30kg)，通過全基因組掃描的方法將影響體型大小的主效數(shù)量性狀基因座(QTL)定位到15 號染色體上，通過在QTL 附近15MB 的范圍內(nèi)篩查遺傳變異位點，成功發(fā)現(xiàn)了IGF1 基因在控制小型犬的體型大小上發(fā)揮著重要的作用。2009年Cadieu 等選取了來自80個品種的1000 多頭犬，通過全基因組關(guān)聯(lián)分析，找到與犬表皮性狀狀相關(guān)的基因。2010年Danika 等采用交叉品種圖譜法定位得出THBS2 基因和SMOC-2 基因是影響犬短頭變異的主效基因。

在過去1.4 萬年中，經(jīng)過不斷地馴化，產(chǎn)生了400多種犬。每一種都具有獨特的體格、皮毛顏色以及習(xí)性。為了發(fā)現(xiàn)造成犬的特定性狀的基因突變，2009年Akey等分析了10個品種共275 頭家犬的基因組。此前的研究發(fā)現(xiàn)帶來產(chǎn)生地特定特性的基因，諸如達(dá)克斯犬的短腿。他們分析了一系列品種的犬，從而確定數(shù)個世紀(jì)的選擇性育種對于整個犬基因組的影響。這組作者掃描了將近300 頭犬的遺傳記錄，包括小獵犬、博德牧羊犬、杰克羅素犬、沙皮犬以及標(biāo)準(zhǔn)貴婦犬，并確定了選擇性育種如何影響了這些動物的基因組。作者發(fā)現(xiàn)了155個不同的遺傳位置可能在產(chǎn)生純種犬的特性方面起到了作用，并提出這些信息可能為找到產(chǎn)生特定品種形狀的基因提供線索。例如，這組科學(xué)家提出不同版本的HAS2 基因可能為沙皮犬帶來了它的獨特的褶皺或光滑的外皮。相對于犬外貌特性的研究，生理特性的研究比較少。2012年Chen 等對犬和狼的嗅覺受體基因家族進(jìn)行分類及測序分析，發(fā)現(xiàn)由于馴養(yǎng)導(dǎo)致的生殖隔離，犬和狼中嗅覺受體基因進(jìn)化的方向不一致，中國鄉(xiāng)村犬中嗅覺受體基因序列比較保守。

總之，隨著犬基因組的順利完成，遺傳標(biāo)記在犬的應(yīng)用會越來越廣泛。在分子生物學(xué)高度發(fā)展的今天，用以尋找與犬類生理生化、遺傳疾病相關(guān)的特異性標(biāo)記的分子技術(shù)也將不斷發(fā)展、不斷改善。這些研究結(jié)果也將成為世界各地研究人員用以了解犬的起源進(jìn)化以及各種性狀(包括全部的生理特性、遺傳疾病以及諸如毛色這樣的表型特征等)相關(guān)基因的重要工具。