“我頭上有犄角！”來(lái)自反芻動(dòng)物的“小秘密”

程唯珈

在西北農(nóng)林科技大學(xué)的秦川牛新品系育種基地里，一頭牛悠閑地坐在地上，嘴巴像嚼著口香糖般上下活動(dòng)。尖尖的牛角，在陽(yáng)光的照耀下凸顯著它“神圣不可侵犯”的地位。

像這類反芻動(dòng)物，西北農(nóng)林科技大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院教授姜雨和與其合作的西北工業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境保護(hù)研究中心教授邱強(qiáng)、王文（兼中國(guó)科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所研究員）等人，和它們打交道已有多年。

“牛、羊、鹿等這些草食性動(dòng)物大多沒有尖牙利爪，角既是它們面對(duì)捕獵者的自衛(wèi)工具，也是同類間爭(zhēng)奪配偶和領(lǐng)地的主要工具。”姜雨告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》的記者，研究這些角如何發(fā)展而來(lái)，形狀為何五花八門，等等，是他們的日常樂趣之一。

在這些犄角中，華麗碩大的鹿角格外引人注目。鹿角自帶“黑玉斷續(xù)膏”技能，即使折斷也能繼續(xù)冒出新的來(lái)。這究竟是怎么一回事呢？

同樣是角，為何差別這么大？

回到開頭，這頭牛其實(shí)并不在吃草，被飼養(yǎng)員捧在手心里的它早已吃飽喝足，但為何還要“裝模作樣”地咀嚼食物？原來(lái)這都是“反芻機(jī)制”搗的鬼。

“這類動(dòng)物采食非常迅速，稍加啃咬就吞下去了，藏到肚子里比較安全的地方。但是它們吃的時(shí)候并沒有把所有食物嚼碎，所以很多食物都沒有被消化。而它們的胃很特別，分為四個(gè)腔室，依次被稱為瘤胃、網(wǎng)胃、瓣胃和皺胃。其中主要進(jìn)行儲(chǔ)存和消化植物纖維是瘤胃，它可以像嘔吐反射一樣，將沒有嚼碎的食物重新返回嘴里進(jìn)行咀嚼?！苯暾f(shuō)。

在這些反芻動(dòng)物中，除了獨(dú)特的瘤胃外，其形狀各異的骨質(zhì)角更是被認(rèn)為是動(dòng)物進(jìn)化史上器官形狀創(chuàng)新的奇跡。王文告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》的記者，反芻動(dòng)物是現(xiàn)存唯一具有骨質(zhì)角的動(dòng)物類群，且不同科的反芻動(dòng)物具有不同形態(tài)的角。

王文介紹：“長(zhǎng)頸鹿科的角由僅被皮膚和毛發(fā)覆蓋的骨突組成;牛科的角也有一個(gè)骨質(zhì)的核心，但被一個(gè)角質(zhì)鞘所覆蓋，終生生長(zhǎng)，不分叉也不能再生;而鹿科動(dòng)物的角則周期性脫落，每年再生一次，在生長(zhǎng)階段被稱為鹿茸。它的生發(fā)組織在鹿茸上方，所以會(huì)分叉生長(zhǎng)。生長(zhǎng)停止后，鹿茸會(huì)鈣化為鹿角，也沒有角鞘。部分有角下目的動(dòng)物還會(huì)不長(zhǎng)角，比如麝和獐子?！?/p>

尤其是鹿科，其犄角具有極快的生長(zhǎng)速度。每年春季到夏季，新生長(zhǎng)出的鹿角大約長(zhǎng)1米～2米，而這就意味著鹿角平均一天就能增長(zhǎng)1.7厘米～2厘米，細(xì)胞分裂增殖速度甚至超過了癌組織的生長(zhǎng)速度。

更為有趣的是，就是這犄角生長(zhǎng)堪稱“癌癥速度”的鹿科動(dòng)物，自身反而具有較低的癌癥發(fā)生率，其患病概率僅占其他物種的1/5。

同樣都是角，為何差別這么大？撇開這各異的顏值不說(shuō)，憑什么鹿角還擁有這特殊的“神仙技能”？甚至連物種的身子骨似乎都比同類的身子骨更“結(jié)實(shí)”？科學(xué)家陷入了沉思。

神奇的鹿角，開啟抑癌新技能

研究人員采用進(jìn)化和比較基因組學(xué)手段，大數(shù)據(jù)比對(duì)尋找有角反芻動(dòng)物與其他哺乳動(dòng)物的基因組差異和角組織里表達(dá)的基因。

“首先我們要知道，這些角并不是本身連接頭部的骨頭，而是由組織產(chǎn)生的新器官。在發(fā)育過程中，它原本是一個(gè)獨(dú)立的、小的細(xì)胞團(tuán)，從神經(jīng)嵴細(xì)胞遷移過來(lái)?！苯暾f(shuō)，“團(tuán)隊(duì)收到這些物種新鮮的組織后，開始進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組的分析，并針對(duì)早期胚胎進(jìn)行染色等生理生化實(shí)驗(yàn)?！?/p>

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這些細(xì)胞逐步獨(dú)立發(fā)育成犄角的核心骨骼，最終與頭骨融為一體。姜雨向記者打了一個(gè)形象的比喻：“就像嬰兒出生時(shí)擁有多達(dá)305塊的骨頭，但是隨后部分骨頭可能融合，比如顱骨會(huì)由十幾塊融合為六塊。這說(shuō)明細(xì)胞在分裂增殖過程，可以導(dǎo)致組織的融合。”

那么，問題來(lái)了，為什么這些組織會(huì)發(fā)育成形狀各異的角呢？甚至出現(xiàn)無(wú)角情況？望著這一盤盤“新鮮出爐”的犄角組織，實(shí)驗(yàn)人員對(duì)其基因組表達(dá)進(jìn)行了分析。

通過比較不同類型的反芻動(dòng)物基因組和270個(gè)轉(zhuǎn)錄組，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)羊角和鹿茸具有相似的基因表達(dá)模式，其特異高表達(dá)的基因主要募集來(lái)自成骨、皮膚、腦等組織表達(dá)的基因。這些角組織特異高表達(dá)基因，連同一些快速進(jìn)化基因都參與了神經(jīng)嵴細(xì)胞遷移通路，而這意味著，反芻動(dòng)物的角可能具有相同的細(xì)胞“祖先”，即頭部神經(jīng)嵴干細(xì)胞。

“為什么有些動(dòng)物沒有角？很簡(jiǎn)單，因?yàn)樗鼈兊幕颉畨牧??！苯昵纹さ卣f(shuō)。

當(dāng)然，最令科學(xué)家感興趣的還是那神奇的鹿角，這種如同“打不死的小強(qiáng)”的機(jī)制，這種無(wú)限再生的機(jī)制引發(fā)了癌癥研究者的興趣。

團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，多個(gè)原癌基因通路在鹿角組織被激活并發(fā)生遺傳改變，可能在調(diào)控鹿茸快速再生過程中發(fā)揮重要作用。同時(shí)幾個(gè)重要的抑癌基因也發(fā)生了鹿科特異的遺傳改變。

為什么鹿角能夠迅速增長(zhǎng)且動(dòng)物本身不易得癌？原來(lái)只緣身在“癌山”中。如今，邱強(qiáng)及其合作團(tuán)隊(duì)將針對(duì)證明快速受控的細(xì)胞生長(zhǎng)的潛在機(jī)制以及探索鹿角作為器官再生模型和癌癥模型方面進(jìn)行深入研究，“這些將為癌癥治療和預(yù)防提供新的思路和方法?！鼻駨?qiáng)說(shuō)。

從明天起，做一頭溫柔的牛

不過對(duì)于長(zhǎng)期研究動(dòng)物育種的姜雨來(lái)說(shuō)，此項(xiàng)研究最大的收獲還是有望培育出類似“無(wú)籽西瓜”等的新型變異反芻物種，譬如無(wú)角牛、無(wú)角羊等。

別看這些犄角平時(shí)威風(fēng)得很，在畜牧生產(chǎn)中它們可不受歡迎。

“有些牛的角非常碩大鋒利，用于對(duì)付天敵或與同類爭(zhēng)斗。甭說(shuō)在同類間可能造成互相傷害，要是心情不好往你身上一頂，后果更是不堪設(shè)想。”姜雨攤了攤手，“所以使用無(wú)角的牛和羊進(jìn)行畜牧生產(chǎn)，對(duì)于飼養(yǎng)員、擠奶工以及動(dòng)物自身的安全是非常重要的，此外無(wú)角的反芻動(dòng)物還可以把用于長(zhǎng)角的養(yǎng)分更多地用在產(chǎn)肉和產(chǎn)奶上。”

不過想要選育出這類無(wú)角品種還面臨著極大的挑戰(zhàn)。一是種類尚未選育齊全。雖然育種工作者投入大量精力選育無(wú)角的牛羊品種，利用基因編輯技術(shù)，培育出了不會(huì)長(zhǎng)角的黑白花奶牛，從而使小牛出生后無(wú)須經(jīng)歷被烙去牛角的痛苦過程。但用于山羊和綿羊基因編輯育種的無(wú)角突變至今還沒有被確證。

其次，選育出的新品種也未必帶來(lái)畜牧業(yè)的增產(chǎn)?！霸居薪堑哪膛Ｈ粝脒x育成無(wú)角品種，需進(jìn)行無(wú)角品種的雜交，但是雜交后其產(chǎn)奶量可能會(huì)降低，反而造成了損失。一家美國(guó)基因編輯育種公司已經(jīng)通過基因編輯對(duì)無(wú)角基因進(jìn)行定點(diǎn)突變的方法，獲得的高產(chǎn)奶量的無(wú)角黑白花奶牛?！苯暾f(shuō)，團(tuán)隊(duì)正進(jìn)一步探索影響無(wú)角綿羊和無(wú)角山羊的無(wú)角基因的定點(diǎn)突變并進(jìn)行編輯。

王文表示，研究結(jié)果對(duì)于人類理解反芻動(dòng)物的演化歷史、再生醫(yī)學(xué)、腫瘤生物學(xué)，以及培育新品種家畜都有重要意義。

畢竟對(duì)于這種改良新品種來(lái)說(shuō)，還有什么比大家無(wú)角斗的“和睦相處”更重要的呢？