近交衰退分子機(jī)理的研究進(jìn)展

薛 倩，朱云芬，李國輝，曹愉夏，張會永，殷建玫，竇新紅，蘇一軍，王克華，韓 威*，鄒劍敏*

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 家禽研究所，江蘇 揚(yáng)州 225125;2.江蘇省家禽科學(xué)研究所 科技創(chuàng)新中心，江蘇 揚(yáng)州 225125)

近交(inbreeding)是指親緣關(guān)系很近的個體間的交配，亦稱近親交配。近交會產(chǎn)生消極影響：(1)導(dǎo)致群體遺傳多樣性降低；(2)引起近交衰退(inbreeding depression)。研究表明，近交不僅會引起存活率、繁殖力、疾病易感性等適應(yīng)性性狀的衰退[1]，還會引起產(chǎn)蛋、產(chǎn)奶、絨毛等生產(chǎn)性狀的衰退[2]。此外，近交還會對骨組織、血清中的離子濃度和激素水平[3-4]以及ATP和酶活力[5]等生理生化指標(biāo)造成影響。

近交衰退的發(fā)生具有不確定性[6]。據(jù)過去諸多報道，動植物近交衰退在發(fā)生的世代[7]、生長階段[8]、性狀[2,9]、性別[10-12]等方面均存在不確定現(xiàn)象，且近交衰退對不同物種的影響程度不同。在綿羊[13]和鳥類[14]的研究上發(fā)現(xiàn)，試驗種群與野生種群相比更容易發(fā)生近交衰退。同一種群相同近交程度的個體表現(xiàn)出的衰退也不盡相同[15-16]。此外，近交與環(huán)境具有互作效應(yīng)，近交個體對冷應(yīng)激[17]、熱應(yīng)激[18]、氧化應(yīng)激[19]等環(huán)境壓力條件更敏感，在惡劣環(huán)境中更容易表現(xiàn)出衰退甚至死亡。在果蠅中，隨著壓力的解除，衰退現(xiàn)象會減緩[10]；在甲蟲中，親代撫育也會減緩近交衰退[20]。在哺乳動物綿羊[21]、馬鹿[22]中，母親的近交更容易影響到后代的體重、存活率等；在馬氏珠母貝上也發(fā)現(xiàn)了近交衰退與母本效應(yīng)有關(guān)[23]。

但是近交也具有積極意義。在育種中，通過近交增加品系群體內(nèi)等位基因純合度，減少世代傳遞過程中的基因型分離(表型分離)，是純化優(yōu)良基因進(jìn)而提高選育品系的群體同質(zhì)性和遺傳穩(wěn)定性的有效技術(shù)手段。近交系也是重要的生物模型，是連鎖圖譜構(gòu)建和QTL定位等遺傳學(xué)以及病理學(xué)研究的良好試驗材料。近年來，除了傳統(tǒng)的果蠅、小鼠等模式生物，在哺乳動物(豬)近交系的培育中也取得了突破性進(jìn)展[24]。

關(guān)于近交衰退的遺傳機(jī)制，群體遺傳學(xué)研究認(rèn)為近交衰退主要是由個體基因組的純合度(Homozygosity)增加引起的，并形成了兩個經(jīng)典理論：(1)“顯性理論”(Dominance hypothesis)，認(rèn)為大多數(shù)突變是中性的或有害的，而且一般為隱性，近交增加了有害等位基因暴露的幾率；(2)“超顯性理論”(Overdominance hypothesis)，認(rèn)為雜合子在適應(yīng)性和繁殖力等方面優(yōu)于純合子。此外基因間的上位效應(yīng)(Epistatic effect)[25]、偽超顯性效(Pseudo-overdominance)[26]也被證明與近交衰退有關(guān)。

隨著新一代測序技術(shù)(next generation sequencing，NGS)的發(fā)展，對近交衰退的研究逐漸深入到分子水平，并取得顯著進(jìn)展。本文將圍繞全基因組信息在近交參數(shù)度量中的應(yīng)用、全基因組基因表達(dá)和表觀遺傳與近交衰退的關(guān)系等幾個方面進(jìn)行綜述和展望，以期為傳統(tǒng)學(xué)說提供補(bǔ)充，豐富經(jīng)典理論內(nèi)容，為物種資源保護(hù)及育種提供科學(xué)依據(jù)。

1 基因組信息在近交參數(shù)度量中的研究

準(zhǔn)確地度量個體(間)近交系數(shù)和親緣系數(shù)(relationship coefficient)是開展近交效應(yīng)研究的前提基礎(chǔ)。在系譜記錄完整的條件下，系譜近交系數(shù)和系譜親緣系數(shù)是度量近交水平的精確指標(biāo)[27]，記錄的世代數(shù)越多，這種方式就越有效[28]。但是，在物種資源保護(hù)和育種中系譜記錄不完整或有錯誤現(xiàn)象普遍存在[29]，且系譜記錄依賴于基礎(chǔ)群(founder population)[30]。

基于系譜信息的個體(間)近交系數(shù)、親緣系數(shù)反映的是同源等位基因標(biāo)記(identity by descent，IBD)出現(xiàn)的概率，其值是固定的(如全同胞或半同胞)；而基于分子標(biāo)記信息允許有相同系譜水平的一組個體間存在分化，其值是連續(xù)的，因此個體(間)近交系數(shù)、親緣關(guān)系度量更為精確，可用于核實系譜或重建系譜。早期研究是利用隨機(jī)擴(kuò)增多態(tài)性DNA(random amplified polymorphic DNA，RAPD)[31]、微衛(wèi)星(microsatellite)[32-33]等低密度分子標(biāo)記度量近交參數(shù)，然而由于標(biāo)記數(shù)量有限，存在較大的抽樣誤差，致其準(zhǔn)確性較低。隨著新一代測序技術(shù)的發(fā)展，使得鑒定全基因組SNP分子標(biāo)記成為可能，大大提升了近交參數(shù)度量的準(zhǔn)確性。

Wang等[34]通過模擬數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)基因組標(biāo)記數(shù)量足夠多(比如104個SNPs)時，SNP標(biāo)記信息比系譜更能精確估計近交系數(shù)，尤其對于基因組小的物種，系譜估計效果更差，因為基因組近交系數(shù)很大程度上是由孟德爾分離決定的，系譜估計可能會大大偏離預(yù)期。Silió等[35]在一個可追溯到26世代系譜記錄的豬閉鎖群體中，發(fā)現(xiàn)利用SNP標(biāo)記信息計算的近交系數(shù)與系譜近交系數(shù)有很強(qiáng)的相關(guān)性，利用168個中間頻率的SNP標(biāo)記信息計算了基因組純合度，發(fā)現(xiàn)其對斷奶后仔豬生長性能的負(fù)面影響與系譜近交系數(shù)相似。Li等[36]利用高密度50K芯片檢測平臺，在綿羊群體中共發(fā)現(xiàn)49 034個SNP, 基于這些SNP估算群體平均分子近交系數(shù)為0.04，結(jié)果和系譜數(shù)據(jù)估計的近交系數(shù)、親緣系數(shù)幾乎是一致的，尤其是對全同胞、半同胞個體的估計更準(zhǔn)確。在缺乏系譜的野生群體中，利用基因組信息度量近交參數(shù)更具優(yōu)勢。Hoffman等[33]發(fā)現(xiàn)利用簡化基因組測序技術(shù)(restriction site associated DNA sequencing，RAD-seq)所得的SNP標(biāo)記信息，能夠準(zhǔn)確估計田鼠、海豹自然群體的近交程度。Huisma等[22]研究發(fā)現(xiàn)在野生馬鹿群體中，利用SNP標(biāo)記信息計算的近交系數(shù)與繁殖成功率相關(guān)，而利用系譜信息卻低估了近交對成年個體適應(yīng)性的影響，表明利用SNP標(biāo)記信息是評估自然群體近交衰退的有力工具。

利用SNP標(biāo)記信息估計近交系數(shù)和親緣系數(shù)的準(zhǔn)確性會受到SNP最小等位基因頻率和標(biāo)記數(shù)目的影響，SNP數(shù)量越多，等位基因初始頻率越接近0.5，準(zhǔn)確性越高[37-38]。目前，利用SNP標(biāo)記信息估計基因組近交系數(shù)常用的兩種方法是基于基因組純合度(homozygosity，HOM)和長純合片段(runs of homozygosity，ROH)。其中，ROH被認(rèn)為是最優(yōu)方法，長的ROH能夠反映出親緣關(guān)系近的共同祖先，短的ROH反映的是親緣關(guān)系遠(yuǎn)的祖先[39]。Brito等[40]比較了兩個不同山羊品種的4種基因組近交系數(shù)(FROH、FEH、FVR、FLEUT)與系譜近交系數(shù)(FPED)的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)基于ROH的基因組近交系數(shù)(FROH)與系譜近交系數(shù)相關(guān)性最高，基于HOM的基因組近交系數(shù)(FEH)次之，另兩種相差甚遠(yuǎn)，且FROH與FEH兩種基因組近交系數(shù)之間相關(guān)性達(dá)到0.9。在中國荷斯坦?；蚪M近交研究中與上述結(jié)果相一致，隨著系譜的完整性增加，系譜近交系數(shù)與基因組近交系數(shù)的相關(guān)性隨之增加[41]。

使用基因組信息度量近交參數(shù)的同時，還能夠鑒定出與特定性狀近交衰退發(fā)生相關(guān)的基因組區(qū)域。Saura等[42]利用不同染色體區(qū)段的HOM近交系數(shù)，鑒定出豬13號染色體上與繁殖性狀近交衰退相關(guān)的一個特定區(qū)域，且該區(qū)域包含與胚胎附植有關(guān)的基因簇。Pryce等[43]和Howard等[44]利用ROH確定了與產(chǎn)犢間隔和產(chǎn)奶量近交衰退相關(guān)的特定基因組區(qū)域。Ferencakovic等[45]通過ROH度量奶牛的基因組近交系數(shù)，并通過線性回歸分析找到了與精子發(fā)生和活力相關(guān)的基因組區(qū)域。

當(dāng)然，單獨使用某一方面的信息度量近交參數(shù)仍是欠缺的，將表型記錄、系譜和基因組標(biāo)記信息相結(jié)合是最佳選擇。

2 近交衰退與基因表達(dá)的關(guān)系研究

基因表達(dá)調(diào)控是構(gòu)成復(fù)雜表型變異的重要基礎(chǔ)[46]，探討基因表達(dá)變異對近交衰退的影響是受重點關(guān)注的研究方向之一。已有的研究借助于qPCR(quantitative real-time reverse transcription-PCR)檢測技術(shù)發(fā)現(xiàn)的候選基因數(shù)目較少[47]，QTL定位[48]和全基因組關(guān)聯(lián)分析(genome-wide association studies，GWAS)[49-50]也難以鑒定對近交衰退有貢獻(xiàn)的基因。一些學(xué)者認(rèn)為，近交衰退可能由大量微效基因的累加效應(yīng)引起，也有學(xué)者認(rèn)為是由少數(shù)主效基因引起[51-52]。鑒于多數(shù)重要生產(chǎn)性狀為多基因控制，推測整個基因組的大部分與近交衰退相關(guān)。

在基因表達(dá)水平上研究近交衰退最為深入的是模式生物果蠅，對于近交衰退的最初認(rèn)識也是來源于果蠅近交系研究[53]。Kristensen等[54]最早報道了近交對果蠅全基因組轉(zhuǎn)錄表達(dá)影響，在近交系與低近交系中發(fā)現(xiàn)466個差異表達(dá)基因，近交速率并沒有顯著影響基因表達(dá)模式；富集分析表明差異基因主要參與壓力反應(yīng)和新陳代謝通路。Kristensen等[55]發(fā)現(xiàn)近交衰退與環(huán)境壓力存在互作效應(yīng)，在壓力條件下近交和遠(yuǎn)交系間差異表達(dá)基因為176個，遠(yuǎn)多于非壓力下的12個。Ayroles等[56]構(gòu)建了6個3號染色體替換果蠅近交系，以雄性競爭生殖率衡量近交衰退程度，發(fā)現(xiàn)567個差異表達(dá)基因，差異基因也是集中于新陳代謝、壓力反應(yīng)和防御反應(yīng)通路；通過定位差異表達(dá)基因的染色體分布，發(fā)現(xiàn)近交衰退中的相當(dāng)一部分是由相對較少的基因通過順式調(diào)節(jié)或上位互作產(chǎn)生通路級聯(lián)效應(yīng)引起。Garcia等[15-16]構(gòu)建了來源于同一基礎(chǔ)群的4個不同近交系與遠(yuǎn)交系，以產(chǎn)卵力和后代蛹成活率評價近交衰退程度。通過比較每個近交品系內(nèi)近交衰退程度最高與最低3個亞系及遠(yuǎn)交系之間基因表達(dá)，發(fā)現(xiàn)多數(shù)差異表達(dá)基因可能主要是減緩近交衰退，作為對抗近交效應(yīng)的一種響應(yīng)；只有14個基因具有明顯的組別表達(dá)特異性，推測它們可能是導(dǎo)致近交衰退的候選基因[57]。Vermeuln等[18]構(gòu)建了熱敏感果蠅近交系，通過比較其與對照組全基因組基因表達(dá)差異，發(fā)現(xiàn)隨著熱應(yīng)激程度的加劇，差異表達(dá)基因數(shù)量相應(yīng)增加，其中一些基因可能包含有與熱敏感表型相關(guān)的突變，并推測這些突變是該近交系所特有。Franke等[47]以熱帶蝴蝶為研究對象，構(gòu)建了包含3個溫度梯度和3個不同近交參數(shù)的試驗組，發(fā)現(xiàn)熱應(yīng)激處理后，對照組熱休克蛋白基因的表達(dá)顯著上調(diào)，而近交組個體的表達(dá)僅微弱上調(diào)，近交強(qiáng)烈干擾了熱休克響應(yīng)，這可能是近交個體適應(yīng)性降低的一種機(jī)制。

國內(nèi)學(xué)者在此領(lǐng)域也開展了一些探索性研究，王宇等[58]發(fā)現(xiàn)親本來源相同的自交扇貝和雜交扇貝閉殼肌有大量差異表達(dá)基因。傅強(qiáng)等[59]研究發(fā)現(xiàn)蝦夷扇貝的自交家系的基因總體上調(diào)，且上調(diào)基因參與了各種宏觀蛋白表達(dá)，下調(diào)基因顯著富集在與生長顯著相關(guān)的EGF家族基因。李俊輝等[23]研究馬氏珠母貝發(fā)現(xiàn)近交系礦化基因的相對表達(dá)量明顯低于雜交系，與近交系生長緩慢特征相吻合。王竹青等[5]研究三疣梭子蟹發(fā)現(xiàn)隨著近交系數(shù)的增加,各代F-ATPaseβ基因的表達(dá)量在肝胰腺和心臟中均下降且顯著低于F0代。

以上研究均表明近交衰退與轉(zhuǎn)錄組變化相關(guān)，近交個體中大量基因表達(dá)的差異可能是導(dǎo)致近交個體衰退的原因，或是作為一種減緩近交衰退的保護(hù)性應(yīng)答。

3 近交衰退與表觀遺傳的關(guān)系研究

表觀遺傳學(xué)(epigenetics)是獨立于序列變異之外調(diào)控基因表達(dá)的重要機(jī)制，包括DNA甲基化(DNA methylation)、組蛋白修飾(histone modification)和RNA干擾(RNA interference)等。環(huán)境因素誘導(dǎo)的表觀修飾能夠遺傳給后代，其變異與表型的多樣化密切相關(guān)。Biémont[60]已有研究表明，表觀過程可能參與了近交效應(yīng)的調(diào)節(jié)：一種解釋認(rèn)為近交導(dǎo)致的同質(zhì)性增加可能破壞了同一位點不同等位基因間的表觀交互，這會引起部分基因的沉默，并因此導(dǎo)致近交衰退，如哺乳動物雌性個體一條X染色體失活就是受表觀調(diào)節(jié)[61]。另一種解釋認(rèn)為近交破壞了參與表觀修飾的酶促作用通路[62]。另外，全基因組表觀修飾變異同樣也被證實與近交衰退對立的極端表現(xiàn)-雜種優(yōu)勢(heterosis)和遠(yuǎn)交衰退(outbreeding depression)相關(guān)[63]。然而，表觀變異與近交衰退的關(guān)系研究較少。

在植物上，Vergeer等[64]通過檢測灰藍(lán)盆花近交系和遠(yuǎn)交系基因組中的甲基化水平差異，證明表觀變異在近交衰退中發(fā)揮重要作用。Dapp等[65]通過對擬南芥全基因組的轉(zhuǎn)錄譜分析，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄組的表觀遺傳多樣性和表觀遺傳調(diào)控在雜種優(yōu)勢和近交衰退中起重要作用。Lauss等[66]發(fā)現(xiàn)擬南芥親代之間特定基因座的甲基化分化能夠直接或間接引發(fā)雜種優(yōu)勢。羅少杰[67]應(yīng)用甲基化敏感多態(tài)性擴(kuò)增技術(shù)(MSAP)比對馬氏珠母貝自交家系與雜交家系的甲基化模式差異，發(fā)現(xiàn)14條存在DNA甲基化修飾差異的序列，且自交子代的甲基化水平高于雜交子代；楊晶淼等[68]構(gòu)建了馬氏珠母貝的近交家系與雜交家系,利用MSAP檢測甲基化差異水平發(fā)現(xiàn)近交家系的甲基化比例和總條代數(shù)均顯著性高于雜交家系,且家系的平均殼長、體重等生長性狀與甲基化存在明顯負(fù)相關(guān)。Venney等[69]在鮭魚的研究中發(fā)現(xiàn)，近交衰退與特定基因的甲基化差異表達(dá)有關(guān)，可能是受環(huán)境和性成熟的影響，而且這種差異表達(dá)還會隨著年齡的增長而增加。因此，近交衰退發(fā)生的不確定性可能與易受環(huán)境影響的表觀遺傳修飾密切相關(guān)。

4 研究展望

新一代測序技術(shù)的發(fā)展使得對近交效應(yīng)的研究深入到全基因組水平，為進(jìn)一步豐富和發(fā)展近交衰退經(jīng)典理論提供了新思路、新方法。目前，利用基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)及表觀組學(xué)等多組學(xué)聯(lián)合分析，探討物種特定性狀近交衰退分子機(jī)理的研究仍較少，亟待進(jìn)一步探索。