動(dòng)物功能基因組學(xué)研究進(jìn)展

宋志芳 邢荷巖 解佑志 蘆春蓮 曹洪戰(zhàn)

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，河北保定071000）

動(dòng)物功能基因組學(xué)研究進(jìn)展

宋志芳 邢荷巖 解佑志 蘆春蓮 曹洪戰(zhàn)*

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，河北保定071000）

隨著基因?qū)W的發(fā)展，研究方向已經(jīng)從結(jié)構(gòu)基因組學(xué)逐步轉(zhuǎn)向功能基因組學(xué)，進(jìn)入了后基因組時(shí)代，揭秘基因的生物學(xué)功能，能夠批量分析基因，提高效率。功能基因組學(xué)在動(dòng)物領(lǐng)域的研究已經(jīng)取得了一定的成果。本文主要對(duì)功能基因組學(xué)的概念、研究方法以及動(dòng)物功能基因組學(xué)的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

功能基因組學(xué)；基因組學(xué)；基因表達(dá)；比較基因組學(xué)

20世紀(jì)80年代，Thoms和Roderick提出基因組學(xué)的概念[1]，即對(duì)基因組進(jìn)行繪圖和測序分析來研究生物的基因組?；蚪M學(xué)前期主要以在全基因組、全細(xì)胞等生物整體水平檢測蛋白質(zhì)、核酸和多糖等為目標(biāo)，稱為結(jié)構(gòu)基因組學(xué)。隨著測序工作的完成，功能基因組學(xué)成為研究的焦點(diǎn)，研究方向過渡到從基因組信息與外界環(huán)境關(guān)系的角度來闡述基因的功能。基因測序、全基因組重測序和基因芯片等生物技術(shù)的出現(xiàn)，為基因功能分析積累了大量資料，使得能從單個(gè)基因或蛋白質(zhì)的研究延伸到系統(tǒng)水平的全部基因或蛋白質(zhì)，深入發(fā)掘基因的生物學(xué)功能。功能基因組學(xué)在動(dòng)物學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)取得了很多研究成果，為動(dòng)物育種奠定了基礎(chǔ)。本文主要對(duì)功能基因組學(xué)的概念、研究方法以及雞、牛和豬等功能基因?qū)W的研究進(jìn)展進(jìn)行闡述。

1 功能基因組學(xué)概述

1.1 功能基因組學(xué)的相關(guān)概念

基因組（genome）概念最早在1924年被提出，泛指某生命體、病毒或細(xì)胞器的所有遺傳物質(zhì)[2]。對(duì)真核生物而言，基因組就是一套染色體DNA。

基因組學(xué)（genom ics）概念最早在1986年由美國科學(xué)家提出[3]，指借助DNA測序技術(shù)、DNA繪圖及相關(guān)計(jì)算機(jī)軟件等，實(shí)現(xiàn)基因定位，并分析基因組的結(jié)構(gòu)和功能?；蚪M學(xué)可分為結(jié)構(gòu)基因組學(xué)（structure genom ics）、功能基因組學(xué)（functionalgenom ics）和比較基因組學(xué)（comparative genom ics）三個(gè)分支。

結(jié)構(gòu)基因組學(xué)以全基因組測序?yàn)槟繕?biāo)，繪制整個(gè)基因組的物理圖譜、轉(zhuǎn)錄圖譜、遺傳圖譜和序列圖譜，通過基因繪圖和核苷酸序列分析來確定基因的組成和定位。研究目標(biāo)和內(nèi)容主要包括：測定一些很有可能包括所有折疊類型的蛋白和測定果蠅等模式生物的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，是基因組學(xué)研究的一個(gè)重要領(lǐng)域。

功能基因組學(xué)又被稱為后基因組學(xué)，利用結(jié)構(gòu)基因組提供的信息，分析和研究整個(gè)基因組內(nèi)所含基因和非基因序列的功能，已經(jīng)發(fā)展成系統(tǒng)地研究多個(gè)基因或蛋白質(zhì)的功能，分析基因的生物學(xué)功能、細(xì)胞學(xué)功能和發(fā)育學(xué)功能等。研究目標(biāo)主要包括發(fā)現(xiàn)基因功能、分析基因表達(dá)模式和突變檢測以及從基因組水平闡述基因的規(guī)律等。

比較基因組學(xué)基于基因組圖譜和測序，對(duì)已知基因和基因結(jié)構(gòu)進(jìn)行序列和結(jié)構(gòu)比對(duì)，以了解基因的功能、表達(dá)調(diào)控機(jī)制和物種進(jìn)化等[4]。

1.2 功能基因組學(xué)的研究內(nèi)容

基因在不同個(gè)體、不同組織和不同器官的表達(dá)存在差異，這種基因表達(dá)差異性是進(jìn)行基因分析的基礎(chǔ)。利用單核苷酸多態(tài)性（SNPs）分析、表達(dá)序列標(biāo)簽（ESTs）分析、基因表達(dá)的序列分析（SAGE）、DNA芯片和RNA干擾（RNAi）等功能基因組方法發(fā)掘和了解基因功能。研究內(nèi)容包括以下方面。

1.2.1 基因功能

功能基因組學(xué)研究的主要內(nèi)容之一是基因生物學(xué)功能（如某些蛋白質(zhì)作為酶類能催化機(jī)體的物質(zhì)代謝反應(yīng)）、發(fā)育學(xué)功能（如參與機(jī)體形態(tài)發(fā)生過程）和細(xì)胞學(xué)功能（如參與細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞間的細(xì)胞轉(zhuǎn)導(dǎo)）的研究[5]。研究基因功能有助于了解基因的生理機(jī)制和作用機(jī)理。基因功能分析的方法是使用相關(guān)軟件（Blast）對(duì)Gen-Bank、NCBI和Ensemb l等數(shù)據(jù)庫中已分布的基因序列進(jìn)行同源比對(duì)，主要分析研究基因的時(shí)空表達(dá)模式、在亞細(xì)胞內(nèi)的定位和轉(zhuǎn)錄后調(diào)控、基因的丟失或過表達(dá)分析以及受環(huán)境影響基因的表達(dá)差異等[6]，以全面研究、探索基因的表達(dá)差異和功能以及探索新基因。

1.2.2 基因組的表達(dá)和時(shí)空調(diào)控

基因在不同組織、不同狀態(tài)和不同發(fā)育階段的表達(dá)量和表達(dá)水平存在差異。隨著人類基因組計(jì)劃的提出和實(shí)施，出現(xiàn)了基因組學(xué)。隨后，豬、牛、羊和雞等家畜、家禽的基因組陸續(xù)出現(xiàn)，并實(shí)施了動(dòng)物基因組計(jì)劃以提高動(dòng)物生產(chǎn)效率，促進(jìn)畜牧業(yè)的發(fā)展。

1.2.3 研究蛋白質(zhì)組和蛋白質(zhì)組學(xué)

在生命科學(xué)領(lǐng)域，基因表達(dá)的生物學(xué)功能是其蛋白質(zhì)在細(xì)胞水平的體現(xiàn)，因此研究蛋白質(zhì)也是功能基因組學(xué)研究的內(nèi)容之一。1995年，Wasinger等[7]認(rèn)為蛋白質(zhì)組是基因編碼的全部蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)組學(xué)是研究細(xì)胞內(nèi)所有蛋白質(zhì)及其變化規(guī)律的科學(xué)，研究內(nèi)容包括蛋白質(zhì)的鑒定、修飾后翻譯、蛋白質(zhì)功能確定和表達(dá)模式等，進(jìn)而揭示生命活動(dòng)的規(guī)律。目前生命科學(xué)已經(jīng)進(jìn)入后基因組時(shí)代，研究單個(gè)蛋白質(zhì)已無法滿足時(shí)代的需求。因此，蛋白質(zhì)組學(xué)是后基因組研究的核心內(nèi)容之一。雖然我國在重大疾病（如腫瘤和癌癥）等方面發(fā)現(xiàn)了一些與之相關(guān)的蛋白，取得了一定的研究成果，但仍有很多問題需要突破。

功能基因組學(xué)的內(nèi)容還包括基因組多樣性研究（有助于研究生命起源、進(jìn)化和動(dòng)物遷徙以及生物醫(yī)學(xué)）和模式生物體的基因組研究（已建立了酵母菌等微生物模型、哺乳動(dòng)物模型、轉(zhuǎn)基因和基因敲除小鼠模型、果蠅、秀麗新桿線蟲模型和非洲爪蟾模型等）?？傊?，功能基因組學(xué)的研究為揭示基因功能和調(diào)控機(jī)制提供了理論基礎(chǔ)。

2 畜禽功能基因組學(xué)研究進(jìn)展

2.1 雞的功能基因組學(xué)研究

2004年完成了雞基因組測序草圖，開始了雞功能基因組學(xué)的研究，是畜禽中第一個(gè)完成全基因組序列測定的物種。Cogburn等[8]根據(jù)基因組草圖推測出雞大約有2萬個(gè)功能基因，并建立了EST數(shù)據(jù)庫，用于研究雞已知基因的功能、表達(dá)和發(fā)現(xiàn)新基因等。Morgan[9]、Bliss和Dalloul等利用基因芯片和高通量測序等功能基因組檢測技術(shù)進(jìn)行雞免疫系統(tǒng)方面的研究，全面分析機(jī)體抵御細(xì)菌感染的機(jī)理。此外，有關(guān)雞神經(jīng)分泌系統(tǒng)和代謝系統(tǒng)的基因組研究也取得了一些進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)了一些與之相關(guān)的基因及其表達(dá)水平和差異，但是缺乏系統(tǒng)的研究，沒有形成詳細(xì)的網(wǎng)絡(luò)，仍需進(jìn)一步完善。20世紀(jì)90年代，開始研究雞的蛋白質(zhì)組學(xué)，研究整體蛋白質(zhì)的表達(dá)調(diào)控、蛋白質(zhì)動(dòng)態(tài)相互作用和蛋白質(zhì)活性等。作為雞蛋白質(zhì)組學(xué)研究的創(chuàng)始人，Beynon最先研究了其肌肉蛋白動(dòng)力學(xué)，為研究蛋白質(zhì)表達(dá)量的動(dòng)態(tài)變化提供了可能。雞功能基因組學(xué)的研究，為深入了解生產(chǎn)、繁殖和生長代謝問題提供了基礎(chǔ)，進(jìn)而提高了雞的生產(chǎn)性能。

2.2 牛的功能基因組學(xué)研究

2003年計(jì)劃繪制牛的基因組圖譜，2009年完成了海福特牛的基因測序（牛至少有2.2萬個(gè)基因），不僅有利于了解牛疾病的遺傳機(jī)理，還有利于培育肉質(zhì)好或產(chǎn)奶量高的品種。此后，對(duì)牛的基因組進(jìn)行重測序，利用定制SNP芯片分析牛的遺傳變異，為加速優(yōu)良品種的遺傳選育和遺傳多樣性的發(fā)掘提供了基礎(chǔ)。基因組選擇和全基因組關(guān)聯(lián)分析的研究發(fā)現(xiàn)與肉質(zhì)、產(chǎn)奶量、繁殖力和抗病性等有關(guān)的基因，同時(shí)也是研究牛進(jìn)化的研究手段。Daetwyler等結(jié)合234頭牛的全基因組序列測定和關(guān)聯(lián)分析方法，定位了與牛健康和生產(chǎn)性狀有關(guān)的基因和變異位點(diǎn)（如SMC2基因突變導(dǎo)致胚胎死亡）。Qanbari等發(fā)現(xiàn)KIT、MC1R、NRG4、TMEM132D和TAS2R16等與毛色、性情有關(guān)的基因在進(jìn)化中受到選擇，同時(shí)表明了外觀是動(dòng)物馴化過程中的一個(gè)重要性狀。已有很多與牛大理石花紋、嫩度和肌肉類型等肉質(zhì)性狀有關(guān)的功能基因組學(xué)的研究成果，促進(jìn)了牛肉質(zhì)性狀的遺傳改良，提高了經(jīng)濟(jì)效益。例如，鈣蛋白酶基因是影響肉質(zhì)嫩度的主效基因，CAPN1、CAPN3和CAST基因也與嫩度有關(guān)。

2.3 豬的功能基因組學(xué)研究進(jìn)展

豬是一種重要的家畜，基因組序列受到馴化和育種方法的影響。豬的全基因組序列于2012年被公布，組裝后的基因組全長為2.60 Gb，包括21 640個(gè)編碼基因。隨后，民豬、梅山豬等豬種的基因組序列也被測定，豐富了基因組信息，為豬功能基因組學(xué)的研究提供了龐大的資源庫。Rubin等利用全基因組重測序技術(shù)發(fā)現(xiàn)NR6A1、PLAG1以及LCORL 3個(gè)基因與歐洲家豬變長和椎骨數(shù)增加有關(guān)?；蛐酒腿蚪M重測序技術(shù)充分利用基因信息，結(jié)合序列比對(duì)和功能基因組分析方法等，找到影響豬肉質(zhì)、生長、繁殖和抵抗力等性狀的相關(guān)基因和變異位點(diǎn)，并分析其功能。如錢源等分析萊蕪豬PID1基因的結(jié)構(gòu)和功能，發(fā)現(xiàn)其與胰島素信號(hào)途徑有關(guān)，作用于糖和脂肪代謝。

2.4 其他畜禽的功能基因組研究進(jìn)展

山羊和綿羊的基因組序列分別于2012和2014年由華大基因和中國科學(xué)院的研究人員公布。基因組序列被公布后，展開了山羊和綿羊分化、羊絨纖維結(jié)構(gòu)基因、免疫力、產(chǎn)奶量和胚胎發(fā)育速度等方面的研究，取得了一些研究成果，發(fā)現(xiàn)了與之相關(guān)的基因和基因功能，也為揭示動(dòng)物進(jìn)化和馴化機(jī)制提供了信息。鴨和鵝的基因組草圖分別于2013年和2015年被公布（鴨有15 065個(gè)基因，鵝有19 144個(gè)基因）。目前，其功能基因組學(xué)研究尚未深入，需要充分利用基因信息進(jìn)一步發(fā)掘鴨和鵝的基因及基因功能。

3 小結(jié)

自畜禽的基因組序列陸續(xù)被公布后，就從結(jié)構(gòu)基因組學(xué)向功能基因組學(xué)過渡，展開了大量基因功能的研究，找到了與性狀、健康和進(jìn)化等有關(guān)的基因和遺傳位點(diǎn)等，為動(dòng)物性狀的遺傳改良和揭示生命活動(dòng)規(guī)律提供了基礎(chǔ)。根據(jù)發(fā)現(xiàn)的基因、SNPs和QTLs等，有助于分子育種加速性狀改良的遺傳進(jìn)展。隨著功能基因組檢測技術(shù)和分析方法的發(fā)展，會(huì)獲得品質(zhì)更加優(yōu)良的畜禽品種，不斷滿足人類的需要。

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（部分參考文獻(xiàn)略，需者可函索）

Q343.1

A

1673-4645(2017)06-0069-03

2017-04-07

河北省科技計(jì)劃項(xiàng)目“深縣豬新品系的選育”（15226301D）

宋志芳（1992-），女，山東菏澤人，研究生，研究方向?yàn)閯?dòng)物遺傳育種，E-m ail：18730285576@163.com

*通訊作者：曹洪戰(zhàn)（1970-），男，河北藁城人，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)轲B(yǎng)豬生產(chǎn)、動(dòng)物遺傳育種與繁殖，E-m ail：chz516@126.com