藏羊和牦牛的生理特征及高原適應性分子遺傳學研究進展

德 吉，孫珂欣，羅 琪，阿旺措吉，王小龍，吳玉江*

(1. 西藏自治區(qū)農(nóng)牧科學院 畜牧獸醫(yī)研究所，西藏 拉薩 850009；2. 西北農(nóng)林科技大學 動物科技學院，陜西 楊凌 712100)

高原常指海拔高度高于500 m的平原，相較于其他地理環(huán)境，高原地貌有著特殊的環(huán)境特征。以中國青藏高原為例，平均海拔高度在4 800 m以上，總面積將近300×10hm，該地區(qū)大氣稀薄，光照強度高，紫外輻射強，且具有低氧、低壓等特點。稀薄的空氣和寒冷的環(huán)境致使該地區(qū)植被覆蓋較少，進而導致青藏高原的環(huán)境蓄水保持能力較差，常年干旱，晝夜溫差極大。即使環(huán)境惡劣，青藏高原仍存有非常豐富的野生物種資源如藏羚羊、藏野驢、雪豹和巖羊等，以及一些馴化物種，如牦牛、藏羊、藏雞、藏豬等。

牦牛()是在中國高原地區(qū)廣泛分布的珍稀牛種之一，其人工馴養(yǎng)歷史十分悠久，至少在7 300年前就已被游牧民族馴化。如今，牦牛養(yǎng)殖已經(jīng)成為藏區(qū)人民重要的生活來源，不僅作為重要的肉、奶等食物資源，還可用作駝畜使役。據(jù)統(tǒng)計，約有2 200×10頭家養(yǎng)牦牛為西藏居民提供食物、交通、住所和燃料等必需品。

西藏羊(Tibetan sheep)是青藏高原地區(qū)飼養(yǎng)的主要草食家畜之一，主要分布在平均海拔3 500 m以上的青藏高原，是中國典型的粗毛羊品種，具有抗逆性強、耐粗飼、體格較大的優(yōu)點。藏羊為毛皮用或毛肉兼用型羊，其羊肉氨基酸總量以及必需氨基酸的含量都更高，脂肪含量較低；羊毛長度長、強度高，是優(yōu)質毛毯制品的重要原料來源?，F(xiàn)有研究證明，在藏區(qū)動物中存在的HIF通路及氧氣感應通路是高原動物適應低氧低溫環(huán)境的最主要途徑，也是現(xiàn)代低氧研究的熱點；同時，橋粒芯蛋白3(Desmoglein3，3)、YTH N6甲基腺苷RNA結合蛋白1(YTH N6-methyladenosine RNA binding protein 1，1)等基因、解剖學及血液生理學特征也為藏羊與牦牛在低氧環(huán)境中的生存提供了有力保障。除此之外，嚴厚的被毛及獨特的瘤胃微生物群落組成，也使得藏羊與牦牛在低溫、飼料短缺的環(huán)境中具有強大的生存能力。

1 藏羊與牦牛的高原適應性進化

高寒、低氧、強紫外線是藏區(qū)環(huán)境最為明顯的特征。隨著海拔高度增加，氧氣濃度幾乎呈線性下降，且海拔每升高1 km，氣溫也會下降約6 ℃。除對動物生存造成巨大挑戰(zhàn)以外，青藏高原的低溫環(huán)境也導致了飼料供應不足。高原動物為抵抗嚴酷的環(huán)境條件，進化出了獨特的生理特征以及高原適應性基因。

1.1 藏羊與牦牛適應藏區(qū)環(huán)境的特殊生理特征

如何應對低氧低溫環(huán)境是牦牛面對的最嚴峻的問題。為此，牦牛進化出了一系列適應藏區(qū)環(huán)境的解剖及生理學特征：如體型大而緊湊，脖子較短，前軀較后軀發(fā)達；被毛粗且硬，密且長，皮下脂肪厚，有助于抵御寒冷侵襲及紫外照射；缺氧環(huán)境導致其呼吸頻率高，體內(nèi)血液流動快，血紅蛋白含量高，心肺發(fā)達，肺泡增大。此外，牦牛缺乏缺氧性肺血管收縮，這一生理性狀有助于提高氧氣的攝取并提高氧氣的利用率。陳秋生等通過系統(tǒng)觀測牦牛肺臟的微細結構發(fā)現(xiàn)，與正常動物相比，構成牦牛肺泡壁的肺泡Ⅰ型上皮較薄且有間斷處，氣血屏障較薄，各級呼吸系統(tǒng)都具有較好的彈性，為牦牛呼吸時增加氣體交換、防止低氧條件下肺動脈壓急劇升高提供了保障。為了應對低溫環(huán)境帶來的飼料短缺問題，牦牛的瘤胃微生物相較于其他?？苿游锞哂休^大差異，瘤胃上皮細胞獨特的肽運輸環(huán)境能夠促使其在青藏高原惡劣的環(huán)境下更加高效地利用蛋白，以達到充分利用飼料的目的。

藏羊同樣具有獨特的抗逆特征。相較于普通綿羊，藏羊體型更大且面容粗獷，四肢粗壯有力，具有極強的攀巖能力；被毛粗且密，能夠有效的抵御嚴寒、風沙及強紫外照射。王欣榮和吳建平通過對藏羊與灘羊的腦組織解剖對比，發(fā)現(xiàn)兩者腦動脈系統(tǒng)結構雖然大致相同，但藏羊具有大腦后交通動脈、上頜動脈以及其他腦動脈較粗的特點，使得藏羊具有格外強的供血能力，在低氧環(huán)境下仍能保證腦部所需氧氣的正常輸送。為進一步探索藏羊高原適應性機理，盧曉麗等對藏羊的血液生理學特征進行了研究，發(fā)現(xiàn)藏羊的白細胞總數(shù)、血紅蛋白等指標顯著高于林芝河谷型綿羊，證明藏綿羊能夠通過增加白細胞數(shù)增強免疫力，增加血紅蛋白攜氧能力。

1.2 藏羊與牦牛對低氧條件的適應性進化

在高海拔地區(qū)的諸多惡劣因素中，對生物影響最大的是低氧。隨著海拔高度的增加，大氣壓急劇下降，但大氣中氧氣始終維持在一定比例保持不變，高海拔地區(qū)氧分壓較低，表現(xiàn)出強烈的低壓缺氧。動物機體的活動，尤其是大腦的運轉離不開氧氣的供應，長期的低氧環(huán)境還會造成昏迷、癲癇甚至腦死亡。同時，低氧環(huán)境會引起胃腸粘膜上皮細胞缺氧，導致缺氧誘導因子(hypoxia inducible factor-1，HIF)的激活。不僅如此，低氧還與大量的疾病發(fā)生相關。如Sun等發(fā)現(xiàn)，在低氧條件下，阿茨海默癥的發(fā)病率明顯上升，且與糖尿病與癌癥等各種人類疾病密切相關。因此，對在藏區(qū)生活的哺乳動物來說，如何適應低氧環(huán)境，保持正常生活，成為了巨大的挑戰(zhàn)。

1.2.1 低氧適應過程的主要通路——HIF通路 在牦牛、藏獒等藏區(qū)哺乳動物中存在著一條共有的HIF低氧誘導途徑，根據(jù)其共有性推測，這可能是長期在低氧環(huán)境中生存的動物所共有。HIF是一個異二聚體，由1個共同的β亞基(HIF-β，由基因編碼)和3個α亞基HIF-1α、HIF-2α和HIF-3α之一組成，2(或1)、egl-9家族低氧誘導因子1(egl-9family hypoxia-inducible factor 1，1)(或2)和脯氨酸羥化酶3(egg-laying deficient nine-like protein 3，3)(或3)基因編碼的酶能夠使HIF-α在正常氧氣濃度下羥基化，HIF-α與VHL(von Hippel-Lindau)蛋白結合，從而激活泛素連接酶系統(tǒng)，導致HIF-α蛋白酶降解；HIF-α中脯氨酸殘基的羥基化對于VHL結合至關重要，二者結合還依賴于α-酮戊二酸依賴性雙加氧酶、脯氨酰羥化酶(prolyl hydroxylase，PHD)和天冬酰胺基羥化酶；在缺氧期間，PHD不活躍，導致HIF-α穩(wěn)定并與HIF-1β二聚。二聚化后，HIF易位至細胞核，以結合啟動子區(qū)域內(nèi)的E-box 缺氧反應元件(hypoxia response elements，HRE)；HIF激活控制細胞氧穩(wěn)態(tài)的基因，包括與耗氧、紅細胞生成、血管生成和線粒體代謝有關的基因。對藏區(qū)動物來說，細胞通過HIF調(diào)控，提高糖酵解降低氧化代謝來降低耗氧量，并通過減少細胞分裂等細胞過程的能量需求來適應低氧環(huán)境(圖1)。除對缺氧適應性調(diào)節(jié)以外，HIF通路也被發(fā)現(xiàn)與多種腫瘤發(fā)生相關，為使用小分子干擾提供了理想靶標。

圖1 低氧適應過程的主要通路-HIF通路的作用機制(改自文獻[16])

1.2.2 氧氣感應途徑 藏羊長期生活并廣泛分布于青藏高原，是研究高原適應性的良好材料。Wei等通過對7個分布于不同高海拔和低海拔地區(qū)的綿羊品種進行基因分型，檢測其全基因組范圍內(nèi) 單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphism，SNP)，發(fā)現(xiàn)了一系列與高原低氧環(huán)境適應性有關的候選基因，包括內(nèi)皮PAS1蛋白(endothelial PAS domain-containing protein 1，1)、αA晶狀體蛋白(crystallin alpha A，)、線粒體離子肽酶1(mitochondrial ion peptidase 1，1)、神經(jīng)纖維瘤1型(Neurofibromatosis，1)、二肽基肽酶-4(Dipeptidyl peptidase-4，4)、超氧化物歧化酶1(Superoxide dismutase，1)、過氧化物酶體增殖物激活受體(Peroxisome Proliferator-activated Receptor gamma，)以及細胞因子信號轉導抑制因子2(suppressor of cytokine signaling 2，2)，揭示了綿羊高原環(huán)境適應的遺傳機制，尤其是1基因在高原適應性中的作用；1基因為重要的高原低氧適應性基因，與穩(wěn)定HIF-1α因子的EGLN1(EGL9同系物)不同，在低氧條件下，1將被激活，其產(chǎn)物能夠與DNA結合，從而激活低氧反應基因，包括促紅細胞生成素(Erythropoietin，)、血管內(nèi)皮生長因子基因(vascular endothelial growth factor，)和血小板衍生生長因子B基因(platelet-derivedgrowthfactor，)等，用以調(diào)節(jié)血管內(nèi)穩(wěn)態(tài)(圖2)。

圖2 氧氣感應途徑(改自文獻[18])

1.2.3 藏羊與牦牛的高原適應性基因研究 上述兩條通路在山羊與綿羊中具有高度的相似性。肖驍?shù)韧ㄟ^對比檢測藏山羊與樂至黑山羊的HIF-1α、VEGF165及其受體基因的表達量，發(fā)現(xiàn)藏山羊目的基因表達量明顯低于樂至黑山羊，表現(xiàn)出明顯的低氧環(huán)境適應性；Song等通過對位于330個不同地理區(qū)域的絨山羊外顯子測序，獲得了118 700個常染色體SNP，并挖掘了可能處于高海拔選擇的339個基因，發(fā)現(xiàn)這339個基因中有極大一部分是與心血管發(fā)育系統(tǒng)的基因，其中最有代表性的是1基因，這一結果與藏羊中的研究相符合；Kumar等對5個中國羊品種的外顯子進行測序，在高地與低地綿羊之間發(fā)現(xiàn)了27個SNP位點，發(fā)現(xiàn)3基因與西藏絨山羊的高原適應性具有密切關系。

Hu等研究了分布于整個青藏高原地區(qū)的986個藏羊樣品的全基因組序列、SNP序列、線粒體DNA以及Y染色體在藏羊中的基因組變異情況，確定盤羊在氧氣運輸、感知和形態(tài)學相關通路相關基因等在藏羊中有滲入現(xiàn)象，且進一步確定了藏羊的遷移路線和時間，為深入了解早期藏區(qū)牧民和藏羊高原適應性以及人類在青藏地區(qū)定居歷史的研究提供了參考。

從進化角度看，環(huán)境越極端，在相同時間段內(nèi)，環(huán)境壓力對于動物選擇的強度越大。Wang等以藏羚羊和牦牛為研究對象，發(fā)現(xiàn)二者之間存在著細胞因子信號傳導抑制因子4(suppressor of cytokine signaling 4，4)基因的趨同進化，4基因是對低氧適應相關調(diào)控因子HIF-1α具有調(diào)控作用的基因之一；除此之外，生活在高原與低海拔的同一物種表現(xiàn)出明顯的趨異進化，如比較基因組學分析發(fā)現(xiàn)紅尾沙蜥與低地區(qū)沙蜥在與低氧耐受、能量代謝以及紫外損失反應相關的基因中存在著非同義變化率。

從牦牛基因組與?；蚪M的對比分析中可以看出，牦?；蚪M的GC含量與普通牛相似，基因同源性較高；然而在對印度本地牛外周血單個核細胞的轉錄組研究中，高海拔地區(qū)牛的-1、1、等基因的表達明顯更高，這可以用圖2所示的氧感應途徑解釋；與此同時，EPO(促紅細胞生成素)同樣在低氧適應性中發(fā)揮重要的作用。缺氧條件下，EPO產(chǎn)生并增加，通過促使紅細胞進入血液而降低機體對低氧的不利反應，不同地區(qū)的牦牛基因具有一定差異，但同源性仍然較高；Qiu等通過對比牦牛和普通牛的基因，鑒定出牦牛具有85個正選擇基因，且這些基因主要集中在與高原適應性有關的低氧適應和能量代謝通路中；周大鵬等對藏獒肺組織進行研究時，同樣發(fā)現(xiàn)了藏獒肺組織富含膠原纖維與彈性纖維，肺泡管的數(shù)量較多，肺泡隔內(nèi)毛細血管豐富。

1.2.4 藏羊與牦牛高原適應性基因的挖掘及應用 為了盡可能地利用藏區(qū)動物基因發(fā)掘缺氧適應性相關基因，將其應用于臨床醫(yī)學研究中，Shi等對人類與生活在高原上的狗、馬、豬、牛、綿羊、山羊進行分析，并將其與生活在低海拔地區(qū)的相應物種進行了比較，發(fā)現(xiàn)高原動物的1(m6A修飾的mRNA結合蛋白基因)是缺氧適應性基因，在缺氧耐受性和癌癥發(fā)生方面都起著至關重要的作用，為了解癌癥發(fā)生機制提供了新的思路；同時，研究人員發(fā)現(xiàn)，藏區(qū)的家養(yǎng)動物與野生動物均具有較長的壽命，藏區(qū)老人的長壽(>100歲)比率較平原老人高，且發(fā)現(xiàn)衰老相關基因在藏區(qū)人群與動物中都表現(xiàn)出快速進化，與平原相應物種具有顯著差異。

為了進一步提高對低氧環(huán)境的適應能力，機體運氧、用氧能力較強也是藏區(qū)動物顯著的生理特征。從血液學上分析，藏區(qū)動物表現(xiàn)出明顯的紅細胞(erythrocyte，RBC)和血紅蛋白(hemoglobin，Hb)含量升高，同時，平均紅細胞容積(mean corpuscular volume，MCV)和血細胞比容(hematocrit，HCT)較低，平均紅細胞血紅蛋白濃度(mean corpuscular-hemoglobin concentration，MCHC)較高，使得藏區(qū)動物在提高運氧能力的同時避免因RBC、Hb升高而造成的血液粘稠。

1.3 藏羊與牦牛低溫適應性與強紫外適應性的研究進展

除低氧外，藏區(qū)環(huán)境還具有低溫的特點。以青藏高原為例，年均氣溫常年維持在0 ℃以下，成為除低氧以外動植物生長的第二大逆性條件。對大多數(shù)動物來說，增加其絨毛、被毛厚度，增厚脂肪層，是其抵抗寒冷的重要手段；除此之外，藏區(qū)動物通過解偶聯(lián)蛋白(uncoupling protein，UCP)的解偶聯(lián)機制進行產(chǎn)熱。UCP是位于線粒體內(nèi)膜上的解偶聯(lián)蛋白，可促進氧化呼吸鏈驅出的質子重新進入線粒體，從而減少三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)合成的能量消耗，轉而維持產(chǎn)熱；目前，高原低溫相關研究常常被鎖定于能量代謝相關基因，包括重組人丙酮酸激酶(recombinant human PKLR protein，)、烯醇化酶3(enolase 3，3)、軸絲動力蛋白重鏈9(axin dynamin heavy chain 9，9)等，均已被研究人員在高原非人類哺乳動物中鑒定。

低溫同時導致藏區(qū)飼草短缺、來源匱乏的現(xiàn)象。因此，藏羊等藏區(qū)家畜需要利用有限的飼草保證自身正常代謝。Ma等等對藏羚羊、藏野驢、藏綿羊的腸道微生物進行比較后發(fā)現(xiàn)，與生活在低海拔的綿羊相比，藏羚羊的腸道菌群中具有更高的瘤胃菌科(Ruminococcaceae)、梭菌目(Clostridiales)和擬桿菌門(Firmicutes)的富集，這些結果與宏基因組學分析共同反映出高海拔食草動物的腸道微生物組成相似，且功能相似，表明這些腸道菌群可能與高海拔適應性有關；此外，與小尾寒羊相比，在負能量平衡的情況下藏羊脂肪分解代謝較低但脂質合成能力卻更強；藏羊瘤胃微生物中，分解纖維真菌屬的比例較高，這或許與藏羊適于青藏放牧環(huán)境有關。同時，宏基因組測序結果顯示藏羊具有大量和碳水化合物代謝相關的獨特的菌群，說明藏羊腸道微生物在藏羊適應青藏高原環(huán)境過程中也發(fā)生演化。

藏區(qū)環(huán)境強烈的紫外輻射，驅使動物進化出了強紫外適應性的相關基因，藏區(qū)動物具有在強紫外線下特有的皮膚保護基因，或可作為臨床治療人類相關疾病的材料；除對皮膚的損傷以外，強紫外照射造成了藏區(qū)動物DNA修復相關基因的迅速進化——高輻射使得藏羚羊與DNA修復相關的基因表現(xiàn)出明顯的正選擇信號，這些基因的特殊表達使得藏羚羊具有強大的DNA修復能力，能夠正常生存繁衍。

2 藏羊與牦牛生產(chǎn)性能的改良

2.1 藏羊的改良

藏羊是最廣泛分布于青藏高原地區(qū)的粗毛羊品種，具有較強的自然氣候條件適應能力，但同時也具有生長速度緩慢、個體成熟較晚、產(chǎn)毛量不足的缺點，如何改進藏羊、利用藏羊改良其他優(yōu)良羊品種，是亟需解決的問題。

白薩福克羊具有體型大、生長發(fā)育快、產(chǎn)肉性能好的優(yōu)點。正確合理地利用白薩?？搜虻膬?yōu)點，使之成為優(yōu)良的雜交親本，對藏羊的遺傳改良具有十分重要的意義。為探索白薩?？搜驅Φ脱醐h(huán)境的適應性，將其轉運至青藏高原并飼養(yǎng)，擴大其分布范圍。周明亮等在高原過渡環(huán)境下對27只白薩?？搜虻难荷砩⑸L發(fā)育等指標進行了比較分析，發(fā)現(xiàn)各指標均在正常范圍內(nèi)波動，其繁殖力與抵抗力都較強。這一結果為藏區(qū)引入白薩福克羊提供了理論支持，證明白薩?？搜蚺c藏羊雜交改良的可行性；楊杜錄等對杜泊羊、薩?？搜蚺c青海藏羊一代雜交羔羊的生長發(fā)育情況進行了研究，發(fā)現(xiàn)雜交子代表現(xiàn)出較強的跟群放牧、耐粗飼等特點，較為完整地保留了藏羊在抗病、抗逆方面的優(yōu)良特性，且3月齡與5月齡時的體重、體斜長、胸圍等指標明顯優(yōu)于當?shù)夭匮?，有效地改良了藏羊生長發(fā)育慢、成熟晚的缺點。

2.2 牦牛的改良

牦牛廣泛分布于青藏高原地區(qū)，具有優(yōu)良的高原抗逆性，但由于其進化中自然選擇比人工選擇強烈，使得牦牛雖可適應逆性環(huán)境，但其生長速度、生產(chǎn)性能、繁殖性能都較其他牛種更差。使用中國黃牛雜交改良牦牛生產(chǎn)性狀是一條改良牦牛的良好思路，二者的后代同時擁有親本雙方的優(yōu)勢，可大大改進牦牛產(chǎn)乳產(chǎn)肉性能。但黃牛與牦牛的后代——犏牛具有雄性不育的缺陷，給改良工作帶來了困難。李賢等研究發(fā)現(xiàn)，具有調(diào)控精子減數(shù)分裂同源重組過程作用的DNA減數(shù)分裂重組酶1基因(disrupted meiotic cDNA，1)基因正是F1代雄性犏牛高度不育的關鍵所在；董麗艷等通過檢測黃牛、牦牛、犏牛3者睪丸組織中細胞分裂周期基因2(cell division cycle gene 2，2)和細胞分裂周期25A(cell division cycle 25A，25)基因的表達，發(fā)現(xiàn)牦牛和黃牛組織中這2種基因的表達量明顯高于犏牛，這些發(fā)現(xiàn)或可為闡明犏牛不育的分子機理提供理論依據(jù)，也為黃牛雜交改良牦牛提供新的思路。

3 展 望

以藏羊、牦牛為代表的藏區(qū)家畜，是中國青藏高原上的珍貴基因庫。藏區(qū)家畜不僅具備優(yōu)良的產(chǎn)絨、產(chǎn)毛性能，具有極大的改良空間，同時也是研究低氧性疾病、尋找低氧耐受基因的完美實驗模型。就家畜飼養(yǎng)來說，目前已有大量關于將低地家畜引入西藏地區(qū)飼養(yǎng)的研究，如改良藏羊、藏牛、藏豬等；同時，各種藏區(qū)動物的生理解剖、血液、基因組分析為完善動物機體氧氣運輸機制、尋找低氧耐受機制提供了充足的研究材料，有利于從遺傳學的角度理解高原疾病的發(fā)生，如1基因可作為未來低氧耐受性改造實驗的關鍵候選基因。在后續(xù)的研究中，有必要重點研究這些基因的變異是否可以幫助動物耐受高原低氧環(huán)境，并設法改造基因，創(chuàng)造新的高原耐受物種，達到擴大藏羊、牦牛等家畜飼養(yǎng)范圍的目的。