云嶺牛HMGA2基因InDel多態(tài)及其與生長(zhǎng)性狀的關(guān)聯(lián)分析

李世鵬，汪富文，史穎超，項(xiàng)門們，雷初朝，黨瑞華

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 動(dòng)物科技學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

隨著肉牛業(yè)的發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)良種肉牛的需求不斷提高.中國(guó)的牛品種資源豐富，但多以役用為主，且培育程度較低，為了提高肉牛的生產(chǎn)性能，適應(yīng)社會(huì)及市場(chǎng)需求，中國(guó)育種工作者不斷利用常規(guī)育種技術(shù)及現(xiàn)代生物技術(shù)等手段進(jìn)行肉牛品種的選育.目前已培育出多個(gè)生產(chǎn)性能優(yōu)異的肉牛品種，比如云嶺牛、夏南牛.云嶺牛作為中國(guó)第1個(gè)采用三元雜交方式培育、南方第1個(gè)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的肉用牛品種[1]，其在2014年通過了國(guó)家畜禽遺傳資源委員會(huì)的現(xiàn)場(chǎng)審定[2]，2015年已經(jīng)被正式定為國(guó)家畜禽新品種[3].

云嶺牛是通過云南黃牛 (Yunnan Yellow)、莫累灰 (Murray Grey)和婆羅門牛 (Brahman) 雜交選育出來的[1]，具有耐熱抗蜱、抗病力強(qiáng)、生長(zhǎng)發(fā)育快、飼料利用率高、性成熟早、難產(chǎn)率低、繁殖性能好等優(yōu)點(diǎn).其肉口感優(yōu)良，鮮嫩多汁，市場(chǎng)價(jià)值極高，為南方肉牛產(chǎn)業(yè)發(fā)展，特別是為高檔雪花牛肉生產(chǎn)奠定了良好的種源基礎(chǔ)[3].但是云嶺牛因育成時(shí)間較短，個(gè)體間表型差異較大，仍需要在生長(zhǎng)發(fā)育，特別是體尺性狀方面繼續(xù)進(jìn)行系統(tǒng)地選育，以發(fā)揮和提高種群的生產(chǎn)優(yōu)勢(shì).借助分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)可以加快云嶺牛的選育，這對(duì)云嶺牛品種的發(fā)展及其遺傳資源的保護(hù)具有重要的意義.

HMG(high mobility group, HMG)蛋白由Goodwin等1973年在牛胸腺細(xì)胞中首次發(fā)現(xiàn)，因其在聚丙烯酰胺凝膠中具有高遷移率而得名.Bustin 將HMG 蛋白家族分為3 類：HMGA、HMGB 和HMGN，該家族成員皆有其特征性結(jié)構(gòu)域，發(fā)揮著不同的作用[4].HMGA2是HMGA家族成員之一，在許多生物胚胎期及分化程度相對(duì)較低的組織中表達(dá)量高，而在高度分化的組織器官中表達(dá)量極低[5].HMGA2基因定位于人類染色體12q13-15位點(diǎn)上[6]，含有5個(gè)外顯子和4個(gè)內(nèi)含子， 其中外顯子Ⅰ-Ⅲ分別編碼3個(gè)基本的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域 (AT鉤) ，外顯子Ⅳ編碼一段含有11個(gè)特定氨基酸的序列，這個(gè)特定序列在HMGA1上是缺失的，外顯子Ⅴ編碼酸性的C-末端結(jié)構(gòu)域，是多種磷酸化的位點(diǎn)[7].HMGA2蛋白本身沒有轉(zhuǎn)錄活性，可以通過AT-hooks與DNA結(jié)合,繼而改變?nèi)旧|(zhì)的結(jié)構(gòu)，使之發(fā)生彎曲、拉伸、卷曲、成環(huán)或解鏈,進(jìn)而影響DNA依賴的細(xì)胞核過程，比如基因的轉(zhuǎn)錄、復(fù)制、重組及DNA修復(fù)[8].

目前研究最多的是HMGA2基因與癌癥的關(guān)系以及抗癌藥物的研發(fā)，如HMGA2基因在肝癌[9]、胰腺癌[10]、結(jié)腸癌[11]、胃癌[12]、甲狀腺癌[13]、卵巢癌[14]、前列腺癌[15]和膽囊腺癌[16]等癌癥組織中的表達(dá)及臨床意義.由于HMGA2在動(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)育過程中也發(fā)揮作用，是肉牛生長(zhǎng)發(fā)育潛在的相關(guān)基因，故本實(shí)驗(yàn)以云嶺牛為研究對(duì)象，探究HMGA2基因多態(tài)并分析其與體尺性狀的關(guān)系.

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)以中國(guó)培育的第4個(gè)肉牛新品種云嶺牛個(gè)體(共計(jì)356個(gè))作為實(shí)驗(yàn)材料，樣品采集于云南昆明草地動(dòng)物科學(xué)研究院.每個(gè)個(gè)體采集10 mL頸靜脈血樣至EDTA(ethylene diamine tetraacetic acid)抗凝采血管中，震蕩混勻后保存，保存溫度-80 ℃.采集的血液樣本采用全血/組織/細(xì)胞基因組DNA快速提取試劑盒提取血液基因組DNA，試劑盒購(gòu)于天根生物科技有限公司.使用NanoDropTM1000 Spectrometer(Thermo Fisher Scientific)檢測(cè)提取后的DNA質(zhì)量濃度及純度，并將其稀釋到50 ng/μL，置于4 ℃下備用.

采集血樣的同時(shí)對(duì)所采集的云嶺牛個(gè)體進(jìn)行相關(guān)體尺數(shù)據(jù)的記錄，包括體高、體斜長(zhǎng)、胸圍、腹圍、腰角寬、十字部高、 管圍、胸寬、胸深、臀圍、頭長(zhǎng)、坐骨寬、額寬和尻長(zhǎng)，以用于研究HMGA2基因的遺傳突變與云嶺牛體尺性狀之間的關(guān)系.

1.2 引物設(shè)計(jì)

根據(jù)西北農(nóng)林科技大學(xué)Animal Omics Database數(shù)據(jù)庫(http://animal.nwsuaf.edu.cn)，找到牛HMGA2基因的一部分InDel位點(diǎn)，挑選突變可能性較高的1個(gè)潛在位點(diǎn)(ARS-UCD1.2 5:47872723).根據(jù)數(shù)據(jù)庫信息 ，此位點(diǎn)上發(fā)生了15 bp的缺失(序列為TCCCTTTTTTGCGCC)，根據(jù)NCBI上Genebank提供的HMGA2基因序列(登錄號(hào) NC_037332.1)，利用Primer Premier5.0對(duì)該突變位點(diǎn)進(jìn)行引物設(shè)計(jì)(表1)，由上海生工生物有限公司合成.

表1 云嶺牛HMGA2基因InDel引物設(shè)計(jì)序列

1.3 PCR擴(kuò)增體系及程序

引物合成完成后，取30個(gè)不同DNA樣本各1 μL混合制作云嶺牛的DNA池.本次實(shí)驗(yàn)使用12.5 μL的多聚酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(polymerase chain reaction,PCR)擴(kuò)增體系，體系組成為2×Taq Master Mix 6.25 μL，4.75 μL ddH2O,上游引物和下游引物各0.5 μL，模板DNA 0.5 μL.PCR擴(kuò)增程序：95 ℃預(yù)變性5 min；94 ℃變性30 s，58 ℃退火30 s，72 ℃延伸30 s，共計(jì)32個(gè)循環(huán)；72 ℃延伸10 min,產(chǎn)物于4 ℃保存.完成后對(duì)擴(kuò)增產(chǎn)物使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的瓊脂糖凝膠電泳進(jìn)行產(chǎn)物檢測(cè).PCR擴(kuò)增產(chǎn)物送至上海生工生物工程股份有限公司進(jìn)行測(cè)序.

1.4 Indel位點(diǎn)比對(duì)和驗(yàn)證

測(cè)序結(jié)果使用DNAstar比對(duì)分析，確定云嶺牛上存在這一突變，在HMGA2基因(登錄號(hào)NC_037332.1)的ARS-UCD1.2 5:47872723位置上存在15 bp的缺失，缺失序列為TCCCTTTTTTGCGCC，和預(yù)期結(jié)果相符.

1.5 聚丙烯酰胺凝膠電泳分型及基因型記錄

將所有云嶺牛樣品分批次進(jìn)行PCR擴(kuò)增，PCR體系不變.擴(kuò)增完畢后將產(chǎn)物利用質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的聚丙烯酰胺凝膠電泳進(jìn)行分型(200 V，120 min).使用Excel記錄所有的擴(kuò)增結(jié)果的基因型.

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

利用Excel等軟件分析遺傳多態(tài)性的指標(biāo)，分別計(jì)算出基因型頻率和等位基因頻率.利用SHEsis在線軟件檢測(cè)實(shí)驗(yàn)所用群體是否符合哈代-溫伯格平衡，使用MSRcall在線數(shù)據(jù)分析(www.msrcall.com/)進(jìn)行群體遺傳學(xué)參數(shù)計(jì)算.利用SPSS20.0進(jìn)行基因型和體尺性狀的關(guān)聯(lián)性分析,分析模型為Y=μ+a+b+c,其中Y代表個(gè)體表型記錄，μ代表群體均值，a代表年齡效應(yīng)，b代表標(biāo)記基因型效應(yīng)，c代表隨機(jī)誤差[17].

2 結(jié)果與分析

2.1 云嶺牛HMGA2突變位點(diǎn)分型與測(cè)序驗(yàn)證

將所有云嶺牛樣本采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的聚丙烯酰胺凝膠電泳分型，分型結(jié)果如圖1.野生型(II)為315 bp條帶，突變型(DD)為300 bp條帶，雜合型(ID)為315 bp 條帶和300 bp條帶，隨機(jī)各挑選1個(gè)樣本測(cè)序，測(cè)序結(jié)果和聚丙烯酰胺凝膠電泳分型結(jié)果一致(圖2).

圖1 HMGA2基因突變區(qū)域的PCR擴(kuò)增結(jié)果Fig.1 PCR amplification results of HMGA2 gene mutation region

圖2 15 bp缺失純合測(cè)序結(jié)果Fig.2 Sequencing result of 15 bp InDel

2.2 基因型頻率、等位基因頻率及遺傳參數(shù)估計(jì)

從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(表2)可知，云嶺牛在InDel位點(diǎn)存在3種基因型，分別是II、ID、DD.其占據(jù)優(yōu)勢(shì)的等位基因是I. 經(jīng)檢驗(yàn)，云嶺牛群體此位點(diǎn)不處于哈代-溫伯格平衡(P<0.05).對(duì)該云嶺牛群體進(jìn)行遺傳參數(shù)估計(jì)可知此位點(diǎn)多態(tài)信息含量(polymorphism information content，PIC)在0.25～0.50,屬于中度多態(tài)(表3).

表2 云嶺牛HMGA2基因InDel位點(diǎn)基因型頻率和等位基因頻率分布

表3 云嶺牛HMGA2基因InDel位點(diǎn)群體遺傳學(xué)參數(shù)估計(jì)

2.3 InDel位點(diǎn)與體尺性狀的關(guān)聯(lián)性分析

對(duì)云嶺牛多態(tài)位點(diǎn)的基因型與體高、體斜長(zhǎng)、胸圍、腹圍、腰角寬、十字部高、 管圍、胸寬、胸深、臀圍、頭長(zhǎng)、坐骨寬、額寬和尻長(zhǎng)的關(guān)聯(lián)分析表明，云嶺牛DD基因型的腹圍顯著低于II和ID基因型的腹圍(P<0.05),ID和DD基因型之間差異不顯著(表4).

表4 云嶺牛HMGA2基因InDel位點(diǎn)多態(tài)性與其體尺性狀關(guān)聯(lián)分析

3 討論

3.1 HMGA2基因群體遺傳參數(shù)分析

通過對(duì)群體遺傳參數(shù)的分析，可以檢測(cè)出目標(biāo)基因的遺傳多樣性和遺傳潛力.本實(shí)驗(yàn)中云嶺牛的有效等位基因數(shù)為1.530 4，這表明該基因多態(tài)在云嶺牛群體中分布較為不均勻.PIC分析發(fā)現(xiàn)在云嶺牛群體中該位點(diǎn)PIC為0.285，介于0.25～0.50，屬于中度多態(tài)，說明該基因變異較大，有較大選擇余地.哈代-溫伯格平衡檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)其在云嶺牛群體中不處于哈代-溫伯格平衡(P<0.05)，其占據(jù)遺傳優(yōu)勢(shì)的等位基因是I，這說明可能具有DD基因型的個(gè)體的部分經(jīng)濟(jì)性狀較低，在人工選擇過程中遭到了淘汰.這也說明了HMGA2基因?qū)τ谠茙X牛的生產(chǎn)性能可能具有重大的影響，在選育中具有參考價(jià)值.

3.2 HMGA2基因多態(tài)性與生長(zhǎng)性狀的關(guān)聯(lián)分析

HMGA2基因在真核生物中大量存在，該基因轉(zhuǎn)錄編碼含109個(gè)氨基酸的蛋白質(zhì),是高遷移率蛋白超家族的成員之一,因其分子質(zhì)量小，且在凝膠電泳中遷移率高而得名.現(xiàn)有的大量研究發(fā)現(xiàn)HMGA2與人類腫瘤的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，HMGA2可以結(jié)合細(xì)胞周期蛋白基因的啟動(dòng)子進(jìn)而上調(diào)細(xì)胞周期蛋白的表達(dá),加速細(xì)胞周期G2/M期的轉(zhuǎn)化,促使腫瘤發(fā)生[18].此前已有研究表明，在胚胎發(fā)育晚期和分化完全的成熟細(xì)胞、組織中幾乎測(cè)不到其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物,HMGA2基因功能處于失活狀態(tài)[19]，但HMGA2在許多惡性腫瘤中呈高表達(dá)，HMGA2蛋白表達(dá)水平與腫瘤的惡性程度呈正相關(guān).且已發(fā)現(xiàn)的所有哺乳動(dòng)物的HMGA2蛋白具有同源性，它們都有相似的功能.在其他的動(dòng)物如小鼠上，HMGA2的表達(dá)已被證實(shí)和骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的更新過程[20]及精子發(fā)生過程[21]有關(guān)；在雞的研究中，宋遲等[22]發(fā)現(xiàn)HMGA2在雞的基因組中存在SNP，且與其體質(zhì)量、周增質(zhì)量也存在一定關(guān)系；在豬上，李平華等[23]發(fā)現(xiàn)HMGA2可能與耳面積有一定聯(lián)系.基于上述研究，可以得知HMGA2可能和細(xì)胞分化、胚胎發(fā)育等生理過程以及腫瘤細(xì)胞的增殖轉(zhuǎn)移有密切關(guān)系，據(jù)此推測(cè)HMGA2基因的表達(dá)水平可能對(duì)牛的生長(zhǎng)發(fā)育有重要影響.在此實(shí)驗(yàn)中，本課題組根據(jù)西北農(nóng)林科技大學(xué)Animal Omics Database數(shù)據(jù)庫(http://animal.nwsuaf.edu.cn)進(jìn)行了初步篩選，然后通過云嶺?；斐販y(cè)序，在HMGA2基因的第3內(nèi)含子上發(fā)現(xiàn)了15 bp的缺失序列，雖然內(nèi)含子并不是編碼區(qū)，但是內(nèi)含子會(huì)通過順式作用元件來調(diào)節(jié)基因的轉(zhuǎn)錄.本研究中，將HMGA2基因的多態(tài)位點(diǎn)與云嶺牛的生長(zhǎng)性狀進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析，發(fā)現(xiàn)該位點(diǎn)和云嶺牛生長(zhǎng)性狀的腹圍指標(biāo)顯著相關(guān)，ID與II的腹圍指標(biāo)顯著高于DD(P<0.05).該突變可能通過增強(qiáng)或者抑制HMGA2基因的表達(dá)水平或者可變剪切來影響表達(dá)蛋白的能力，其作用機(jī)制有待進(jìn)一步研究.

4 結(jié)論

本研究在HMGA2的第3內(nèi)含子上發(fā)現(xiàn)15 bp的缺失突變，此突變與云嶺牛的腹圍指標(biāo)顯著相關(guān)，可以作為云嶺牛生長(zhǎng)性狀的候選分子標(biāo)記輔助進(jìn)行選擇和育種.