家養(yǎng)動物FSHR基因的結(jié)構(gòu)功能與表達(dá)調(diào)控研究進(jìn)展

沙克拉，阿依努爾·伊卜拉伊木，文逸凡，王紅利，張子敬，劉 賢，王二耀，茹寶瑞，周森森，雷初朝，陳 宏，黃永震*

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué) 動物科技學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2. 郟縣畜牧局，河南 郟縣 467100；3. 河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所, 鄭州 450002；4. 河南省畜牧總站， 鄭州 450008.)

引言

繁殖性能是家養(yǎng)動物生產(chǎn)中重要的經(jīng)濟(jì)性狀，直接影響?zhàn)B殖業(yè)的純利潤。促卵泡激素FSH是一種由垂體前葉促性腺細(xì)胞合成和分泌的糖蛋白，在性腺功能和生育能力中起重要作用。促卵泡刺激素受體FSHR一種重要的G蛋白偶聯(lián)受體，是卵泡發(fā)育的重要受體。FSH在人類和動物生殖過程中起著至關(guān)重要的作用，它是生物大分子，不能單獨(dú)通過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，只能通過與FSHR結(jié)合后進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，發(fā)揮生理功能。FSHR主要表達(dá)于卵巢顆粒細(xì)胞和支持細(xì)胞中，其表達(dá)水平與顆粒細(xì)胞的分化、卵泡閉鎖及成熟密切相關(guān)[1]。FSHR是下丘腦-垂體-性腺軸的重要組成部分，也是FSH發(fā)揮作用所必需的。國內(nèi)外學(xué)者對FSHR基因作為繁殖性狀或產(chǎn)仔數(shù)候選基因進(jìn)行了部分研究。FSHR基因表達(dá)產(chǎn)物可以促進(jìn)動物的超數(shù)排卵，它的缺失或者突變會使卵巢卵泡無法正常發(fā)育，嚴(yán)重的可導(dǎo)致繁殖力降低甚至不孕。

1 FSHR基因結(jié)構(gòu)

FSHR基因?qū)儆跀?shù)目龐大的G蛋白偶聯(lián)受體超家族之一，F(xiàn)SH受體包括七個(gè)跨膜域和一個(gè)大胞外域與FSH的α和β亞基[2]。FSHR由695個(gè)氨基酸組成的，其中亮氨酸數(shù)量最多，所占比例為12.81%；很多研究表明，F(xiàn)SHR的DNA序列全長196 149 bp，而編碼蛋白質(zhì)的mRNA 序列全長只有2 431 bp，說明FSHR基因表達(dá)受復(fù)雜的內(nèi)含子調(diào)控。FSHR基因在動物和人類染色體中位置和長度都不同。FSHR基因位于人類2號染色體上，由10個(gè)外顯子和9個(gè)內(nèi)含子組成，其內(nèi)含子長度達(dá)52 kb，不同動物FSHR基因位于的染色體不同。

2 FSHR基因的生物學(xué)功能

2.1 在人類醫(yī)學(xué)中研究

FSHR基因在人類生殖中的重要性是顯而易見的，F(xiàn)SHR基因在人體中表達(dá)量與女性是否懷孕顯著相關(guān)，并在控制男性和女性性腺功能方面發(fā)揮著重要作用[3]。在男性中，F(xiàn)SHR在睪丸支持細(xì)胞中表達(dá)，調(diào)節(jié)睪丸支持細(xì)胞的代謝，也是精子發(fā)生和存活所必需的；在女性中，F(xiàn)SHR基因在顆粒細(xì)胞中表達(dá)，它調(diào)節(jié)卵巢卵泡的發(fā)育、成熟，以及顆粒細(xì)胞的增殖和雌激素的產(chǎn)生[4]。在男性和女性中FSHR基因的多態(tài)性會出現(xiàn)不孕情況，但FSHR的多態(tài)性變異對男性生育能力的影響不清楚[5]。FSH不誘導(dǎo)精子發(fā)生過程，但對成熟精子的形成是必要的，F(xiàn)SH -亞基，即卵泡刺激素基因-多肽FSHB，11p13決定生殖功能。目前研究發(fā)現(xiàn)，人類中大約存在150種FSHR基因的多態(tài)性變異，并證實(shí)與很多生殖疾病相關(guān)。FSHR基因多態(tài)性與FSH濃度的升高、孕酮的降低以及精子濃度的降低有關(guān)。FSHR基因存在多種失活突變和多態(tài)性，其中大多數(shù)會導(dǎo)致原發(fā)性卵巢功能不全(POI)，F(xiàn)SHR基因是引起POI的單基因[6-7]。

2.2 FSHR基因在動物育種的研究

繁殖性狀是綿羊、山羊、牛和豬的重要經(jīng)濟(jì)性狀，其受各種因素的影響，其中與繁殖相關(guān)的選候基因是影響繁殖經(jīng)濟(jì)的主要因素。FSHR基因是影響家養(yǎng)動物繁殖性狀的必不可少的基因之一。FSHR基因作用范圍很廣泛，在畜牧業(yè)上與動物的產(chǎn)仔數(shù)有一定的關(guān)系，正確地來說是動物影響產(chǎn)仔率的候選基因之一。FSHR基因存在9種失活突變和4種激活突變，這些突會導(dǎo)致雄、雌性動物的不孕或繁殖能力降低。FSHR基因多態(tài)性與很多繁殖性狀間存在關(guān)聯(lián)。近5年來國外內(nèi)研究者研究發(fā)現(xiàn)了FSHR基因的多態(tài)性狀況，并且還克隆FSHR基因。

2.3 FSHR的其他功能

卵泡刺激素受體(FSHR)除了在性腺組織中表達(dá)外，還在一些腺外正常組織和腫瘤組織中被檢測到，包括不同類型的原發(fā)性和轉(zhuǎn)移性癌癥以及腫瘤血管內(nèi)皮細(xì)胞(TVEC)。FSH在錐體外組織中的作用包括促進(jìn)血管生成、肌層收縮力、骨骼完整性和脂肪組織積累。腫瘤組織內(nèi)的非惡性細(xì)胞已被證明缺乏FSHR的表達(dá)，這意味著FSHR可以作為一種標(biāo)記用于診斷，甚至在作為治療工具方面存在潛在的作用[8]。此外，最近還發(fā)現(xiàn)其在體外受精，子宮內(nèi)膜疾病過程中發(fā)揮一定的作用。

3 FSHR基因在家養(yǎng)動物繁殖性狀方面的調(diào)控研究

FSHR基因不僅在卵巢、子宮和睪丸等生殖器官中表達(dá)，而且在輸卵管、垂體前葉、下丘腦和尿道等性腺外組織也有表達(dá)[9-10]，并表現(xiàn)出階段依賴性，與卵泡或生殖細(xì)胞的不同成熟狀態(tài)相吻合。FSHR基因表達(dá)會影響家養(yǎng)動物的各種生理狀況，比如奶牛的產(chǎn)奶量，母雞的產(chǎn)蛋量等。研究表明，F(xiàn)SHR基因5’區(qū)存在許多轉(zhuǎn)錄調(diào)控元件，它們與轉(zhuǎn)錄因子相互作用，調(diào)控FSHR轉(zhuǎn)錄。

3.1 牛FSHR基因的研究進(jìn)展

隨著人民生活水平的提高，人們對肉產(chǎn)品和奶制品的需求量越來越多。畜牧業(yè)得到快速發(fā)展，畜產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量也迅猛發(fā)展。牛是單胎家畜，自然狀態(tài)下基本上沒有多胎，雙胎率很低。FSHR基因是牛的繁殖性狀的選候基因之一，研究表明，牛FSHR基因的特定等位基因位點(diǎn)突變與受精卵產(chǎn)生數(shù)量的變化相關(guān)[11-12]。在牛中，從基因表達(dá)的角度出發(fā)，在FSHR在卵泡發(fā)育過程中的表達(dá)模式以及該受體在生殖障礙中的作用方面有廣泛的報(bào)道[13-15]。同時(shí)，F(xiàn)SHR基因的多態(tài)性會影響奶牛的產(chǎn)仔率和產(chǎn)奶量[16]，該研究結(jié)果在提高我國奶牛產(chǎn)仔和產(chǎn)奶量上有積極意義。最近研究還發(fā)現(xiàn)不同牛的FSHR表達(dá)量不同，比如牦牛FSHR表達(dá)量顯著低于黃牛[17]。此外，夏憶等研究克隆得到牦牛FSHR基因cDNA序列，編碼區(qū)全長2 088 bp，編碼695個(gè)氨基酸，與其他哺乳動物氨基酸序列同源性較高[18]。

3.2 綿羊和山羊FSHR基因的研究進(jìn)展

多羔性狀是影響綿羊和山羊養(yǎng)殖業(yè)的重要經(jīng)濟(jì)性狀之一，提高每胎的產(chǎn)羔數(shù)是提升羊生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益的重要措施[19]。譚廣梅等對海門山羊FSHR基因進(jìn)行了研究，表明FSHR在第十外顯子的第1 056 bp處發(fā)生了T→C變異，該突變對產(chǎn)仔數(shù)具有正向效應(yīng)，且FSHR基因的表達(dá)與綿羊和山羊產(chǎn)羔數(shù)之間存在一定程度的相關(guān)性[20-21]。在綿羊和山羊中，卵巢卵泡中促卵泡激素受體(FSHR)的表達(dá)增加是攜帶高產(chǎn)等位基因的母羊的一個(gè)共同特征。哺乳動物的FSHR基因的結(jié)構(gòu)基本上相似，但也存在差異。比如綿羊和山羊是屬于完全不同的兩個(gè)品種，它們的FSHR基因結(jié)構(gòu)存在差異，比如綿羊的FSHR基因位于3號染色體，由11個(gè)外顯子和10個(gè)內(nèi)含子組成[22]。山羊的FSHR基因位于11號染色體，由10個(gè)外顯子和9個(gè)內(nèi)含子組成[23]。國外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)FSHR基因的第10外顯子上第680位密碼子處發(fā)生堿基突變并導(dǎo)致氨基酸改變，從而使 FSH 活性降低，影響產(chǎn)羔性狀。呂陽升等[24]認(rèn)為綿羊FSHR基因雖然存在可變剪接體的結(jié)構(gòu)，但其功能主要取決于經(jīng)典型的695個(gè)氨基酸蛋白質(zhì)分子，并且對初級卵泡的發(fā)育具有一定的作用。轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)域的多態(tài)性對綿羊FSHRmRNA的衰退有重要影響。王德娣等[25]研究發(fā)現(xiàn)哺乳動物FSHR基因的多態(tài)性，并闡明了其轉(zhuǎn)錄調(diào)控的新機(jī)制。但是FSHR基因在公羊中研究少，胡雯等[26]研究發(fā)現(xiàn)FSHR因在睪丸中特異性高表達(dá)，但具體作用機(jī)制還有待于進(jìn)一步研究。

3.3 豬FSHR基因的研究進(jìn)展

豬的繁殖性能的高低直接影響豬場的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。母豬繁殖性狀屬于低遺傳力數(shù)量性狀。2017年許瑤等[27]首次在江香豬FSHR基因中發(fā)現(xiàn)了3個(gè)SNPs位點(diǎn)即rs322800083(C276T)，rs332115220(T611C)和novel 1(G-92A)，其中novel 1 位于內(nèi)含子9中。這三個(gè)新的多態(tài)性對豬的產(chǎn)仔率有影響。研究發(fā)現(xiàn)FSHR基因表達(dá)水平的升高伴隨著組蛋白H3K9乙?；降纳?，提示組蛋白H3K9乙?；梢哉{(diào)控豬FSHR基因的表達(dá)[28]。盡管對FSHR啟動子的調(diào)控進(jìn)行了大量的研究，但豬FSHR的精確轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制仍是未知的。

3.4 雞FSHR基因的研究進(jìn)展

產(chǎn)蛋是家禽重要的經(jīng)濟(jì)性狀，研究影響產(chǎn)蛋性能的關(guān)鍵基因和功能性單核苷酸多態(tài)性具有重要意義[29-30]。在母雞中，F(xiàn)SH刺激卵巢類固醇激素的合成、卵巢的選擇以及卵泡的發(fā)育和成熟，對卵泡的正常發(fā)育起著至關(guān)重要的作用[31]。據(jù)報(bào)道，F(xiàn)SHR基因位于雞的3號染色體上，基因全長77 646 bp，含有10個(gè)外顯子和9內(nèi)含子，外顯子1到9的長度均在200 bp以內(nèi)，而外顯子10長1 217 bp[32-33]。母雞的卵巢正常發(fā)育與產(chǎn)蛋數(shù)成正比，母雞卵泡發(fā)育過程中卵巢FSHRmRNA水平的調(diào)控以及FSHR中可能與產(chǎn)蛋性狀相關(guān)的多態(tài)性是重要的研究領(lǐng)域[34-36]。FSHR基因不僅在母雞中表達(dá)，公雞中也表達(dá)，研究發(fā)現(xiàn)FSHR基因在母雞卵巢和公雞睪丸組織中表達(dá)量在出殼時(shí)最高[37]。

4 小結(jié)

促卵泡刺激素(FSH)通過與其受體(FSHR)結(jié)合后在人和動物的生殖器官中起著重要的生理作用。FSHR基因作為影響家養(yǎng)動物產(chǎn)羔(仔)數(shù)等繁殖性狀的候選基因，在人類和牛羊等家養(yǎng)反芻動物中研究較多，在豬和雞方面的研究較少。FSHR的表達(dá)量對卵巢與FSH的結(jié)合和敏感性有直接影響，多胎綿羊品種卵泡中FSHR的表達(dá)量顯著高于單胎品種[38]。最近幾年來在FSHR基因的克隆方面研究也很多，在體外受精方面也有。FSHR基因?yàn)閱慰截惢?，在動物進(jìn)化過程中是相對保守的[39]。在綿羊，山羊與牛和人的FSHR基因基本沒有同源性，這說明FSHR基因在物種之間具有很大的差異。同時(shí)，F(xiàn)SHR與動物的繁殖性狀密切相關(guān)。兩個(gè)物種之間FSHR的序列和表達(dá)水平的差異可能與它們繁殖的差異有關(guān)。FSHR基因不僅對動物繁殖有影響，還與人類臨床醫(yī)學(xué)上各種繁殖和腫瘤疾病有關(guān)。最近，一項(xiàng)基于出生時(shí)相關(guān)基因加速進(jìn)化的研究發(fā)現(xiàn)，促卵泡激素受體(FSHR)可能是早產(chǎn)發(fā)生的候選基因。此外，F(xiàn)SHR基因在包括胎盤在內(nèi)的體外組織中也有表達(dá)[40-41]。

綜上所述，F(xiàn)SHR基因?qū)τ诩茵B(yǎng)動物的繁殖性狀和生產(chǎn)性能具有重要影響，對于該基因的深入研究對改良動物的經(jīng)濟(jì)性狀、提升畜牧行業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益具有良好作用。