細胞質(zhì)DNA對畜牧業(yè)生產(chǎn)性狀的影響

鄭新民+畢延震+華再東+張立蘋+肖紅衛(wèi)+任紅艷+李莉

摘要：從細胞質(zhì)DNA組成、細胞質(zhì)DNA變化、異常突變的威脅和胞質(zhì)DNA資源的利用等四個方面論述了細胞質(zhì)DNA特殊性及對畜牧業(yè)生產(chǎn)性狀的影響。

關(guān)鍵詞：細胞質(zhì)遺傳;線粒體;DNA;變化;性狀

中圖分類號：Q343.3;S81 ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ?文章編號：0439-8114（2014）20-4777-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.20.001

Effects of Cytoplasmic DNA on Traits of Animal Husbandry Production

ZHENG Xin-min，BI Yan-zhen，HUA Zai-dong，ZHANG Li-ping，XIAO Hong-wei，REN Hong-yan，LI Li

（Hubei Academy of Agriculture Science/Hubei Key Lab of Animal Embryo and Molecular Breeding. Wuhan 430064，China）

Abstract： The specificity of cytoplasmic DNA and effects of the cytoplasmic DNA on traits of animal husbandry production were reviewed from four aspects including the composition of DNA from the cytoplasm， changes of cytoplasmic DNA， threats of abnormal cytoplasmic DNA and use of cytoplasmic DNA resources.

Key words： cytoplasmic inheritance; mitochondria; DNA; variation; trait

細胞質(zhì)DNA是核染色質(zhì)之外另一重要的遺傳物質(zhì)，它的異常突變已經(jīng)影響到畜牧業(yè)生產(chǎn)，而且對人們的健康帶來極大的威脅，特別是那些從核遺傳中無法解開的謎團長期困擾著臨床病人，也影響著畜牧業(yè)生產(chǎn)。仔細研究發(fā)現(xiàn)細胞質(zhì)中的遺傳物質(zhì)（胞質(zhì)DNA）是其根源所在，這些性狀的遺傳不遵循孟德爾遺傳規(guī)律，而且多數(shù)是通過母系傳給其子代，在子代中也表現(xiàn)不均一[1]，往往難以統(tǒng)計和分析，研究胞質(zhì)DNA可為畜牧業(yè)品種改良提供新的技術(shù)和手段，以改善畜禽的生產(chǎn)性能[2]，同時也能從胚胎開始預(yù)防醫(yī)學(xué)上的胞質(zhì)病，使母源性胞質(zhì)病在胚胎期清除病因，以根治這類疾病。

1 ?細胞質(zhì)DNA的組成

細胞質(zhì)是細胞的重要組成部分，它為細胞的代謝及繁殖提供全套服務(wù)，包括能量、環(huán)境、遺傳信號的傳遞及細胞間信息的交換等。除了這些輔助性的功能之外，細胞質(zhì)還有它自己的自主性功能——細胞質(zhì)遺傳因子，包括細胞器基因和非細胞器基因。前者為細胞內(nèi)固有的遺傳物質(zhì)，包括線粒體、葉綠體、中心粒、動粒和膜體系中的基因，后者不是細胞內(nèi)固有的遺傳物質(zhì)，有共生體和附加體基因。細胞器基因可以遺傳給子代，通過其后代表現(xiàn)出不同的性狀。細胞質(zhì)遺傳現(xiàn)象最早是Correns在紫茉莉及Baur在馬蹄紋天竺葵的雜交試驗中發(fā)現(xiàn)的[1]，其后在動植物中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了胞質(zhì)遺傳的普遍性，這一遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)是胞質(zhì)DNA，對動物來說，其主要組成為線粒體DNA（Mitochondrial DNA，mtDNA）[3]。哺乳動物線粒體DNA編碼有13個酶，參與能量產(chǎn)生、氧化磷酸化、22tRNA和2個rRNA等代謝。盡管所有線粒體DNA的合成產(chǎn)物都在線粒體內(nèi)部，但線粒體內(nèi)的多數(shù)蛋白質(zhì)是來源于核DNA指導(dǎo)合成的[4]。胞質(zhì)DNA的突變或異常，可以影響生物體的許多性狀，如生長發(fā)育、飼料利用率和機體健康等。

2 ?細胞質(zhì)DNA的變異

線粒體很小，每個細胞里多少不等，差別較大，一般會有成百上千個線粒體[5]，即使添加7%～14%也不改變生物的性狀[6]。林純一等學(xué)者在動物試驗中發(fā)現(xiàn)，如果卵細胞的線粒體DNA有75%～85%變異，就會出現(xiàn)線粒體病，但如果變異低于65%就不會發(fā)病。據(jù)此，研究人員認為，只要母親卵子的線粒體DNA變異比例低于65%，線粒體病就不可能傳給下一代。林純一等學(xué)者指出，只要選擇變異DNA比例很低的卵子和初期胚胎，就可以遏制胎兒患上線粒體病。因此，有必要開發(fā)新方法，以便幫助高風(fēng)險群體選擇線粒體DNA變異比例低的卵子，降低其后代患線粒體病的可能性[7]。在家畜上mtDNA參與調(diào)節(jié)新陳代謝和能量分配，它是家畜重要經(jīng)濟性狀潛在的候選基因[8]。

3 ?細胞質(zhì)DNA異常突變的威脅

細胞質(zhì)DNA相對于細胞核DNA穩(wěn)定性要低一些，個體間、不同年齡都有所不同。以線粒體為例，Smith等[4]的核或胞質(zhì)移植試驗表明，核及線粒體的相互作用是非常重要的，而且線粒體在受精過程中以及整個早期卵裂階段的變化幅度較大。雖然線粒體基因與繁殖性狀的直接關(guān)系目前還不清楚，一些人類退化性疾病和牛的生產(chǎn)性能與特定的線粒體DNA多態(tài)性直接有關(guān)。豬的正反交試驗表明線粒體DNA不僅能夠遺傳信息，而且能影響生產(chǎn)性能。對人的線粒體DNA的研究表明，線粒體DNA的缺陷與數(shù)十種人類遺傳病有關(guān)，這些疾病很多是與腦部和肌肉有關(guān)的。例如，線粒體肌病和神經(jīng)性肌肉衰弱、運動失調(diào)及眼視網(wǎng)膜炎等。林純一教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在動物試驗中發(fā)現(xiàn)，通過選擇卵子，可以防止線粒體疾病在動物“母嬰”間遺傳。先前研究發(fā)現(xiàn)，線粒體DNA如果出現(xiàn)異常突變，細胞的生命活動會因為能量不足而受損，尤其是需要很多能量的腦和肌肉，繼續(xù)惡化下去可能會出現(xiàn)腦中風(fēng)、智力障礙、肌肉力量下降、高乳酸血癥等健康問題，它們被統(tǒng)稱為線粒體病。線粒體病是日本確認的重要疑難雜癥之一，它是通過母親遺傳給子女的[7]。

4 ?細胞質(zhì)DNA資源的利用

細胞質(zhì)DNA是一種特殊的資源，通過細胞質(zhì)轉(zhuǎn)移、置換或分子診斷等方式，可以對這一資源加以很好的利用。在20世紀80年代，科恩懷疑很多不孕癥病人不能懷孕的原因是這些患者的卵子細胞質(zhì)出了問題，他便嘗試細胞質(zhì)移植的方法，取7%～14%供體卵子的細胞質(zhì)注射到不能正常發(fā)育的受體卵子中去，前后用卵細胞質(zhì)移植技術(shù)治療了30名不孕女性，其中17人仍然不孕，1人流產(chǎn)，剩余的12名女性成功生下了15個健康的孩子[6]，其中只有2人攜帶了來自父母之外的第三方卵子基質(zhì)捐贈者的基因。而且，線粒體基因只占細胞所有基因中極小的一部分[5]。外來的線粒體基因看來并未顯示出危害，可以預(yù)見的風(fēng)險包括供體線粒體基因缺陷，通過遺傳檢測即可避免，因此風(fēng)險是可控的。例如，線粒體基因的突變會產(chǎn)生很多嚴重的疾病，所以卵細胞基質(zhì)的捐贈者應(yīng)該像精子捐贈者那樣做遺傳檢查。此外，還應(yīng)該考慮核基因?qū)€粒體基因的調(diào)控問題[9]。部分爭議集中在管理部門應(yīng)該以什么樣的強度進行調(diào)控。例如，威斯康辛大學(xué)的生物倫理學(xué)家阿爾塔沙羅（R. Alta Charo）就認為FDA的這一決定超越了職權(quán)范圍[10]。醫(yī)學(xué)上，來自母源性異常的mtDNA病例[11]，年輕時不表現(xiàn)癥狀，隨著年齡的增長，逐漸表現(xiàn)出不同的病癥，例如乳酸性酸中毒、骨骼肌肉病變、神經(jīng)性耳聾、失明、亞急性神經(jīng)退行性疾病、腸道運動功能障礙和外周神經(jīng)病變等[12]。在英國每250個新生兒就有1個mtDNA突變，每10 000個成年人就有1人受mtDNA疾病的困擾[13]，臨床上一些精神分裂癥也與mtDNA有關(guān)[14]。

然而與人不同的是，畜禽幼仔出生時的弱仔或畸形全部被淘汰，不檢測病因;再加上畜禽的使用年限短，等到年老病癥出現(xiàn)之前就處理了，對生產(chǎn)性能造成的影響被掩蓋。Hua等[15]的研究表明，當(dāng)以牛卵母細胞為受體、綿羊顆粒細胞為供體時，克隆胚中綿羊的線粒體增加會降低囊胚率;而牛線粒體增加對胚胎的發(fā)育影響不明顯，即同質(zhì)線粒體增加不影響胚胎的生長發(fā)育，而異質(zhì)線粒體不利于胚胎的后期發(fā)育。即使是同源的線粒體，當(dāng)線粒體異常時也會影響到胚胎的發(fā)育，這一現(xiàn)象是韓國Xu等[16]在進行豬孤雌胚體外發(fā)育試驗中證實的，而正常的同質(zhì)線粒體對胚胎的發(fā)育有促進作用。mtDNA對奶牛生產(chǎn)性狀的研究始于1989年，Brown等[17]對線粒體的呼吸代謝與生產(chǎn)性能的關(guān)系進行試驗，發(fā)現(xiàn)線粒體的體外氧化磷酸化效率（ADP∶O）和ATP合成速度與荷斯坦奶牛產(chǎn)奶量的相關(guān)性分別為0.25和0.48。Mannen等[18]在檢測8頭日本黑牛線粒體基因組的全序列變異位點時發(fā)現(xiàn)，2 232 bp替換影響眼肌面積（LMA）和牛肉大理石花紋評分（BMs），并指出此替換對肉質(zhì)來說是個重要的候選基因。Oh等[19]在研究韓國牛mtDNA D-loop的序列變異以及屠宰性狀的影響試驗中，發(fā)現(xiàn)169、16 119 nt的替代效應(yīng)對大理石花紋評分有重要意義，同時169 nt和16 042 nt的替代效應(yīng)對背膘厚的影響為極顯著（P<0.01）。Aeo等[20]研究牛母性與出生后生長特性（初生重、斷奶前日增重、斷奶重、斷奶后日增重及周歲體重）間的關(guān)系時得出，mtDNA多態(tài)性與初生至周歲的生長性狀間存在非常低的相關(guān)性。Torkamanzehi等[21]研究蛋雞線粒體的磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶基因限制性片段長度（RFLP）和單鏈構(gòu)象多態(tài)性（SSCP）與雞產(chǎn)蛋關(guān)系時發(fā)現(xiàn)，由于4個堿基的突變產(chǎn)生3個等位基因的差異，導(dǎo)致PEPCK基因的第9外顯子影響北美白來航雞初產(chǎn)日齡，而對產(chǎn)蛋率和產(chǎn)蛋數(shù)量沒有影響。

綜上論述發(fā)現(xiàn)，直接用細胞質(zhì)DNA轉(zhuǎn)移或置換等手段改變家畜生產(chǎn)性能還不現(xiàn)實，主要原因是生產(chǎn)成本和不涉及倫理的淘汰，然而對于品種選育來說，耗時長、成本高，一旦忽視細胞質(zhì)DNA遺傳的影響，將有可能導(dǎo)致品種不穩(wěn)定，甚至難以育成，其損失非常慘重，無法挽回。這意味著品種選育過程中除了考慮核遺傳物質(zhì)外，還要考慮胞質(zhì)遺傳物質(zhì)的影響。

參考文獻：

[1] 崔彬彬，楊妮娜，孫宇涵，等.白楊細胞質(zhì)遺傳的細胞學(xué)機理（Ⅱ）——質(zhì)體和線粒體在生殖細胞和營養(yǎng)細胞中的分布與變化[J]. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2011，39（9）：1-4.

[2] 馮玉梅，賴松家，陳仕毅.牛經(jīng)濟性狀細胞質(zhì)遺傳效應(yīng)的研究概況[J].黑龍江畜牧獸醫(yī)，2007（6）：20-22.

[3] LIU X H，WU Y，LI Z， et al. Targeting of the human coagulation factor IX gene at rDNA locus of human embryonic stem cells[J]. Plos One， 2012， 7（5）：e37071.

[4] SMITH L C， ALCIVAR A A. Cytoplasmic inheritance and its effects on development and performance[J]. J Reprod Fertil Suppl， 1993， 48：31-43.

[5] BARRITT J A， BRENNER C A， MALTER H E， et al. Mitochondria in human offspring derived from ooplasmic transplantation[J]. Hum Reprod，2001， 16（3）：513-516.

[6] 果殼網(wǎng).世界首批轉(zhuǎn)基因嬰兒[EB/OL]. http：//www.guokr.com/article/310859/？baiducustom=y， 2012-08-14.

[7] SHIMIZU A， MITO T， HAYASHI C， et al. Transmitochondrial mice as models for primary prevention of diseases caused by mutation in the tRNALys gene[J]. PNAS， 2014， 111（8）：3104-3109.

[8] SHERMAN E L， NKRUMAH J D， MURDOCH B M， et al. Polymorphisms and haplotypes in the bovine neuropeptide Y， growth hormone receptor， ghrelin， insulin-like growth factor 2， and uncoupling proteins 2 and 3 genes and their associations with measures of growth， performance， feed efficiency， and carcass merit in beef cattle[J]. J Anim Sci， 2008，86（1）：1-16.

[9] STJOHN J C， BARRATT C L.Use of anucleate donor oocyte cytoplasm in recipient eggs[J]. Lancet，1997， 350（9082）：961-962.

[10] BROWNLEE S. Designer Babies--Human cloning is a long way off， but bioengineered kids are already here[J]. The Washington Monthly，2002-02-28.

[11] DAMAS J，CARNEIRO J，GONCALVES J， et al. Mitochondrial DNA deletions are associated with non-B DNA conformations[J]. Nucleic Acids Res， 2012， 40（16）：7606-7621.

[12] VAFAI S B， MOOTHA V K. Mitochondrial disorders as windows into an ancient organelle[J]. Nature， 2012， 491（7424）：374-383.

[13] CRAVEN L，TUPPEN H A，GREGGAINS G D，et al. Pronuclear transfer in human embryos to prevent transmission of mitochondrial DNA disease[J]. Nature， 2010，465（7294）： 82-85.

[14] VERGE B， ALONSO Y， VALERO J， et al. Mitochondrial DNA（mtDNA） and schizophrenia[J]. European Psychiatry，2011，26（1）：45-56.

[15] HUA S，LU C L，SONG Y K，et al. High levels of mitochondrial heteroplasmy modify the development of ovine-bovine interspecies nuclear transferred embryos[J]. Reproduction， Fertility and Development， 2012， 24：501-509.

[16] XU Y N， CUI X S， SUN S C， et al. Mitochondrial dysfunction influences apoptosis and autophagy in porcine parthenotes developing in vitro[J]. Journal of Reproduction and Development， 2011， 57（1）：143-150.

[17] BROWN D R， KOEHLER C M， LINDBERG G L， et al. Molecular analysis of cytoplasmic genetic variation in Holstein cows[J]. J Anim Sci， 1989， 67（8）：1926-1932.

[18] MANNEN H， MORIMOTO M. OYAMAT K， et al. Identification of mtiochondrial DNA substitutions related to meat quality in Japanese black cattle[J]. Journal of Animal Science， 2003， 81（1）：68-73.

[19] OH J D， YOON D H. Effect of sequence variation in bovine mitochondrial DNA D-loop region of economic traits for Hanwoo[J]. Journal of Animal Science and Technology， 2003， 45（6）：933-938.

[20] AEO M A， NISHIMURA-ABE， A NIBAYASHI T， et al. Mitochondrial DNA polymorphism， maternal lineage and correlation with postnatal growth of Japanese black beef cattle to yearling age[J]. Asian- Australasian Journal of Animal Science， 2004， 17（11）： 1484-1490.

[21] TORKAMANZEHI A， KUHNLEIN U. Restriction fragment length and single strand conformational polymorphisms in chicken mitochondrial phosphoenol-pyruante carboxykinase gene and its association with egg production[J]. Pakistan Journal of Biological Sciences， 2007， 10（22）：4075-4080.