牛無(wú)角性狀及相關(guān)基因研究進(jìn)展

巴桑旺堆 任中祥 朱彥賓

摘要 選育具有無(wú)角性狀的牛有利于規(guī)?；曫B(yǎng)管理，且可以消除斷角帶來(lái)的應(yīng)激，進(jìn)而提高經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)養(yǎng)牛業(yè)發(fā)展具有重大意義。本文介紹了牛無(wú)角性狀及相關(guān)基因的研究進(jìn)展，以期為進(jìn)一步的研究提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞 牛；無(wú)角性狀；相關(guān)基因；研究進(jìn)展

中圖分類號(hào) S823 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2018）12-0225-02

角是有蹄類哺乳動(dòng)物自衛(wèi)和爭(zhēng)奪交配權(quán)的工具，為頭部表皮及真皮特化形成的產(chǎn)物。自然界中哺乳動(dòng)物存在5種角，即洞角、瘤角、鹿茸角、犀角、叉角羚角。牛角是由外角蛋白層和內(nèi)含氣腔的骨組成的洞角[1]。角對(duì)野生動(dòng)物具有重要作用，然而在牛的集約化飼養(yǎng)管理中，角可能成為其相互撞擊的工具，甚至?xí)?duì)管理人員造成一定的威脅。雖然在現(xiàn)代集約化牛飼養(yǎng)中可采取小牛去角的方法，但這給小牛帶來(lái)不必要的應(yīng)激，且違背了動(dòng)物福利[2-4]。因此，探究在牛角形成過(guò)程中參與調(diào)控的基因及其表達(dá)機(jī)制對(duì)于養(yǎng)牛業(yè)的發(fā)展進(jìn)步具有重要意義。本文從牛無(wú)角性狀候選突變和無(wú)角性狀基因轉(zhuǎn)錄與表達(dá)2個(gè)方面作一簡(jiǎn)單綜述。

1 牛無(wú)角性狀候選突變研究進(jìn)展

Medugorac等[5]運(yùn)用高通量測(cè)序、高密度SNP基因分型和PCR的方法分析了1 675頭不同品種牛的無(wú)角性狀與基因的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在牛的無(wú)角性狀基因座上存在至少2 個(gè)等位基因：在源自斯堪的納維亞、英國(guó)、法國(guó)和南德國(guó)的牛品種中鑒定出一個(gè)被稱為P202ID的202 bp插入缺失；與荷斯坦奶牛無(wú)角性狀相關(guān)的突變包括5個(gè)候選突變（3個(gè)SNP：PG1654405A、PC1655463T、PC1768587A，2個(gè)InDel：P5ID、P80kbID）的260 kb單體型。Rothammer等[6]以5993頭不同品種的牛為樣本，利用高密度SNP基因分型和基因測(cè)序的方法，證明了存在于BTA1上的一個(gè)80 kb的DNA拷貝（P80kbID）是荷斯坦奶牛無(wú)角性狀的唯一候選突變。Wiedemar等[7]通過(guò)高密度SNP基因分型方法把西門塔爾牛無(wú)角突變的關(guān)鍵區(qū)域精確到212 kb，并確定了包含荷斯坦奶牛無(wú)角突變的932 kb重疊區(qū)域；通過(guò)對(duì)BTA1上標(biāo)記基因和位點(diǎn)區(qū)域差異表達(dá)的研究，發(fā)現(xiàn)了LOC100848215（僅在奶牛和水牛中的已知位點(diǎn)）在有角胎兒組織中的表達(dá)量比在無(wú)角胎兒組織中更高的現(xiàn)象，暗示其在角的形成過(guò)程中的必要作用。Carlson等[8]通過(guò)基因編輯技術(shù)將P202ID插入到荷斯坦奶牛胚胎基因組中，結(jié)果成功生產(chǎn)出無(wú)角荷斯坦奶牛。曾璐嵐等[9]利用 PCR方法對(duì)93頭無(wú)角夏南牛和20頭有角夏南牛單倍型P202ID位點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)了PC/PC、PC/Prs和Prs/Prs 3種基因型，分子鑒定表明，113頭夏南牛的基因型與其角的性狀（有角與無(wú)角）一致。Liang等[10]以10頭有角牦牛和10頭無(wú)角牦牛為樣本，采用全基因組關(guān)聯(lián)研究分析的方法，確定了1個(gè)與牦牛無(wú)角性狀有關(guān)的200 kb的基因組區(qū)域。Liu等[11]通過(guò)對(duì)51頭有角牦牛和50頭無(wú)角牦牛進(jìn)行測(cè)序和高分辨率溶解曲線分析，發(fā)現(xiàn)9個(gè)SNP位點(diǎn)與無(wú)角性狀有關(guān)；Fisher′s精確檢驗(yàn)和單體型分析顯示，包含3個(gè)蛋白編碼基因C1H21orf62、GCFC1和SYNJ1的147 kb片段是牦牛無(wú)角突變最可能的位置。Medugorac等[12]通過(guò)對(duì)蒙古牦牛進(jìn)行基因分型和SNP位點(diǎn)分析，發(fā)現(xiàn)一段219 bp片段（P219ID）新的復(fù)制插入是導(dǎo)致蒙古Turano牛無(wú)角表型的原因。Chen等[13]以64頭蜀宣花牛（48頭有角，16頭無(wú)角）為樣本，采用PCR技術(shù)分析了該品種無(wú)角性狀與所有3種已知突變（P202ID、P80kbID和P219ID）的聯(lián)系，結(jié)果3種候選突變均在無(wú)角牛中被檢測(cè)到，但存在1個(gè)無(wú)角個(gè)體不含任何候選突變，暗示了其他候選突變的存在。

2 牛無(wú)角性狀基因轉(zhuǎn)錄和表達(dá)研究進(jìn)展

Mariasegaram等[14]利用基因芯片技術(shù)比較無(wú)角牛和有角牛發(fā)育過(guò)程中基因的差異表達(dá)，結(jié)果未發(fā)現(xiàn)存在于已知無(wú)角性狀基因座的BTA1精細(xì)定位區(qū)域中任何基因的差異表達(dá)。Allais-Bonnet等[15]使用高通量mRNA測(cè)序技術(shù)發(fā)現(xiàn)一個(gè)長(zhǎng)鏈非編碼RNA的異位表達(dá)可能是無(wú)角牛角芽發(fā)育不全的原因。趙娟花等[16]以5頭有角和5頭無(wú)角大通牦牛為樣本，采用RT-PCR對(duì)C1H21orf62基因進(jìn)行擴(kuò)增、克隆及測(cè)序，發(fā)現(xiàn)該基因編碼區(qū)全長(zhǎng)662 bp，編碼161個(gè)氨基酸；對(duì)C1H21-orf62蛋白進(jìn)行生物信息學(xué)分析的結(jié)果顯示，C1H21orf62是一種親水性表面蛋白，含有13個(gè)潛在的磷酸化位點(diǎn)，但無(wú)跨膜域和N-端信號(hào)肽，其可能為表面蛋白；采用實(shí)時(shí)熒光定量PCR方法檢測(cè)在有角、無(wú)角角芽組織中C1H21orf62基因的相對(duì)表達(dá)量，發(fā)現(xiàn)在有角牦牛角芽組織中C1H21orf62基因mRNA表達(dá)量極顯著低于無(wú)角牦牛，推測(cè)C1H21orf62基因在牛角不同發(fā)育時(shí)期mRNA表達(dá)量不同。佘平昌等[17]以牦牛為樣本，采用實(shí)時(shí)熒光定量PCR技術(shù)（qRT-PCR），對(duì)牛角性狀候選基因少突膠質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子1（OLIG1）、少突膠質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子2（OLIG2）、干擾素α和β受體亞基1（IFNAR1）、干擾素α和β受體亞基2（IFNAR2）、1號(hào)染色體C21orf62同系物（C1H21orf62）、PAX3和PAX7結(jié)合蛋白1（GCFC1）、干擾素γ受體2（IFNGR2）、synaptojanin 1（SYNJ1）、白細(xì)胞介素10受體亞基β（IL10RB）、磷酸核糖甘氨酰胺甲酰轉(zhuǎn)移酶（GART）、松弛素家族肽受體2（RXFP2）、叉頭框L2（FOXL2）、扭曲家族bHLH轉(zhuǎn)錄因子1（TWIST1）、扭曲家族bHLH轉(zhuǎn)錄因子2（TWIST2）、鋅指E-box結(jié)合同源框2（ZEB2）、E-鈣粘蛋白（E-cadherin）和P-鈣粘蛋白（P-cadherin）的mRNA在角基間及皮膚間的相對(duì)表達(dá)量進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，OLIG2和ZEB2在有角和無(wú)角牦牛角基間轉(zhuǎn)錄量差異極顯著（P<0.01），可能是牛角性狀的關(guān)鍵候選基因；TWIST1和IFNGR2在有角和無(wú)角牦牛角基間轉(zhuǎn)錄量差異顯著（P<0.05），可能與ZEB2共同參與牛角的形成；P-cadherin基因在有角和無(wú)角牦牛角基間轉(zhuǎn)錄量差異顯著（P<0.05），可能與牛角的發(fā)育有關(guān)。

3 展望

近年來(lái)，各國(guó)科學(xué)家用微衛(wèi)星標(biāo)記、SNP、基因表達(dá)研究等方法深入解析了與牛無(wú)角性狀形成有關(guān)的基因片段及其作用機(jī)理，但由于控制無(wú)角性狀的可能不只1對(duì)等位基因且具有等位基因異質(zhì)性特點(diǎn)，其準(zhǔn)確的遺傳機(jī)制和表達(dá)模式還有待進(jìn)一步探索。本文簡(jiǎn)要介紹了牛無(wú)角性狀的研究進(jìn)展，以期為進(jìn)一步研究提供理論依據(jù)。因此，對(duì)牛無(wú)角性狀的研究方向?yàn)樘剿鞑煌贩N牛產(chǎn)生無(wú)角性狀間的相互聯(lián)系，著重比較無(wú)角牛與有角牛角芽形成過(guò)程中 mRNA 的異位表達(dá)，同時(shí)注意蛋白質(zhì)的變化差異。

4 致謝

感謝國(guó)家肉牛牦牛產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS-37）支持。

5 參考文獻(xiàn)

[1] 車文功，曾澤民，楊蘭玉，等.中國(guó)美利奴羊（新疆型）無(wú)角類型的培育研究[J].西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，1997，6（1）：3-7.

[2] EMLEN D J.The evolution of animal weapons[J].Annual Review of Ecol-ogy，Evolution and Systematics，2008，39（1）：387-413.

[3] GRAF B，SENN M.Behavioural and physiological responses of calves to dehorning by heat cauterization with or without localanaesthesia[J].App-lied Animal Behaviour Science，1999，62（2/3）：153-171.

[4] 奚玉蓮，韓浩園，陳寧博，等.牛羊角性狀的分子遺傳研究進(jìn)展[J].家畜生態(tài)學(xué)報(bào)，2016，37（10）：6-8.

[5] MEDUGORAC I，SEICHTER D，GRAF A，et al.Bovine polledness—an autosomal dominant trait withallelic heterogeneity[J].PLoS ONE ，2012，7：39477.

[6] ROTHAMMER S，CAPITAN A，MULLAART E，et al.The 80 kb DNA duplication on BTA1 is the only remaining candidate mutation for the polled phenotype of Friesian origin[J].Genetics Selection Evolution，2014，46（1）：44.

[7] WIEDEMAR N，TETENS J，JAGANNATHAN V，et al.Independent polled mutations leading to complex gene expression differences in cattle[J].PLoS ONE，2014，9（3）：93435.

[8] CARLSON D F，LANCTO C A，ZANG B，et al.Production of hornless dairycattle from genome-edited cell lines[J].Nat Biotechnol，2016，34（5）：479-481.

[9] 曾璐嵐，郝新興，祁興磊，等.夏南牛無(wú)角性狀的分子鑒定技術(shù)及應(yīng)用[J].中國(guó)牛業(yè)科學(xué)，2017，43（4）：27-29.

[10] LIANG C，WANG L，WU X，et al. Genome-wide association study ide-ntifies loci for the polled phenotype in yak[J].PLoS ONE，2016，11（7）：158642.

[11] LIU W B，LIU J，LIANG C N，et al.Associations of single nucleotide po-lymorphisms in candidate genes with the polled trait in Datong domestic yaks[J].Anim Genet，2014，45（1）：138-141.

[12] MEDUGORAC I，GRAF A，GROHS C，et al.Whole-genome analysis ofintrogressive hybridization and characterization of the bovine legacy of Mongolian yaks[J].Nat Genet，2017，49（3）：470-475.

[13] CHEN S Y，LIU L，F(xiàn)U M，et al.Simultaneous introgression of three PO-LLED mutations into a synthetic breed of Chinese cattle[J].PLoS One，2017，12（10）：186862.

[14] MARIASEGARAM M，REVERTER A，BARRIS W，et al.Transcription profiling provides insights into gene pathways involved in horn and scurs development in cattle[J].BMC Genomics，2010，11：370.

[15] ALLAIS-BONNET A，GROHS C，MEDUGORAC I，et al.Novel insights into the bovine polled phenotype and horn ontogenesis in Bovidae[J].PloS One，2013，8（5）：63512.

[16] 趙娟花，梁春年，裴杰，等.牦牛C1H21orf62基因的克隆、生物信息學(xué)及表達(dá)分析[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，42（5）：98-102.

[17] 佘平昌，吳曉云，梁春年，等.牦牛角性狀候選基因的篩選[J].畜牧獸醫(yī)學(xué)報(bào)，2016，47（6）：1147-1153.