山羊轉錄因子及其功能研究進展

呂 琦，劉沛昊，李望嬌，馬炳潔，馬鵬飛，李金泉,3，蘇 蕊,3*

（1.內蒙古農業(yè)大學動物科學學院，內蒙古呼和浩特 010018；2.農業(yè)農村部肉羊遺傳育種重點實驗室，內蒙古呼和浩特 010018；3.動物遺傳育種與繁殖自治區(qū)重點實驗室，內蒙古呼和浩特 010018）

山羊作為較早被馴化的反芻動物，是一類主要的節(jié)糧型畜種。我國山羊遺傳資源非常豐富，擁有超過50個優(yōu)良地方山羊品種，其養(yǎng)殖歷史悠久、飼養(yǎng)數(shù)量大，可為人們提供羊絨、肉、奶、毛等畜產品。然而，由于遺傳分子機制復雜且多變，目前對山羊絨毛、繁殖等經濟性狀的基礎研究不深入，對具有優(yōu)良性狀的山羊品種選育工作進展緩慢。

轉錄因子（Transcription Factors，TFs）是一類參與基因轉錄調控的重要蛋白質，可以識別并結合基因啟動子區(qū)域的特定DNA 序列，形成一個調控基因表達的復雜系統(tǒng)，是多種信號通路的關鍵調節(jié)因子。家畜經濟性狀的形成受關鍵功能基因影響，研究轉錄因子調控功能基因的分子機制是解析家畜經濟性狀的一種重要方式，如轉錄因子ZGPAT（Zinc Finger CCCH-type and G-patch Domain Containing）參與牦牛蛋白質合成、加工以及分泌等過程的調控，從而實現(xiàn)對蛋白質表達、乳產量的調控。轉錄因子ZBED6（Zinc Finger BEDtype Containing 6）在哺乳動物中高度保守，在豬肝中敲除會影響胰島素樣生長因子2（Insulin-like Growth Factor 2，）表達，進而調控肝臟脂質代謝。為全面理解轉錄因子對山羊基因表達的精準調控作用，本文就山羊轉錄因子在重要經濟性狀中的研究進展進行系統(tǒng)概述。

1 山羊轉錄因子研究概況

轉錄因子是哺乳動物中的第二大基因家族，僅次于免疫球蛋白。據(jù)估計，人類約有1 600 個轉錄因子、小鼠約有941 個轉錄因子。目前國內外關于山羊的研究涉及104 個已知轉錄因子，數(shù)目遠遠少于模式動物，說明仍有大量轉錄因子的功能未進行研究。104 個山羊轉錄因子中的大多數(shù)目前無明確功能，剩余的42 個具體明確功能的轉錄因子與山羊絨毛生長發(fā)育、產肉、泌乳和繁殖等經濟性狀有關（表1）。極少數(shù)轉錄因子同時調控多種生物過程，如SP1 調節(jié)脂肪酸合成酶基因（Fatty Acid Synthase，）和孕酮合成。大多數(shù)山羊轉錄因子已知功能單一，僅調控某一特定生物過程。

表1 山羊轉錄因子與經濟性狀關系

與模式生物相比，目前對山羊轉錄因子功能的研究還不夠深入，大部分研究關注轉錄因子表達與性狀的關聯(lián)，對轉錄因子結合位點及其靶基因等調控機制尚未清晰闡述，僅極個別轉錄因子有明確的結合位點靶基因，如MYOD1。因此，下文將從不同性狀出發(fā)，針對有具體生物學功能的轉錄因子闡述相關研究進展。

2 轉錄因子對山羊絨毛生長發(fā)育的調控

皮膚毛囊包含毛囊干細胞、真皮細胞、內皮細胞、毛乳頭細胞等多種細胞系，通過胞間互作促進山羊絨周期性生長。轉錄因子SOX9 集中表達于絨山羊毛囊干細胞中，干擾表達導致干細胞增殖嚴重受阻，多能因子的表達量顯著降低，逐漸失去干細胞活性。轉錄因子組合OCT4 可誘導山羊胎兒成纖維細胞生成誘導性多能干細胞。

有研究發(fā)現(xiàn)轉錄因子的表達規(guī)律與山羊絨生長周期相似，但具體調控機制尚不清晰。轉錄因子基因受到光周期的誘導，在絨山羊表皮和真皮呈現(xiàn)周期性表達。轉錄因子HOXC13 和FOXN1 調控橋粒糖蛋白（Desmoglein 4，）基因，使其在不同時期的絨山羊皮膚組織中呈現(xiàn)差異表達；轉錄因子基因在絨山羊毛囊毛球部、外根鞘、內根鞘等部位的表達從休止期到生長期逐漸增加，從生長期到退行期再到休止期逐漸減少至無表達。

3 轉錄因子對山羊繁殖性能的調控

轉錄因子參與調控雌性生殖器官發(fā)育、維持顆粒細胞形態(tài)和功能以及調節(jié)激素分泌，在母羊繁殖中發(fā)揮重要作用。Runx 轉錄因子家族成員RUNX1 和RUNX2在調節(jié)孕酮的合成、影響山羊卵泡發(fā)育和黃體生成方面發(fā)揮重要作用。絨毛膜促性腺激素可以激活蛋白激酶C（Protein kinase C，PKC）、磷脂酰肌苷3-激酶（Phosphatidylinositide 3-kinases，PI3K）和腺苷酸環(huán)化酶（Adenylate cyclase，AC），與miR-181b、miR-222 共同調節(jié)和基因的表達。轉錄因子FOXL2 是決定山羊性別的關鍵因子，在山羊、人、小鼠等胎兒卵巢中高表達，通過CHIP-seq 發(fā)現(xiàn)FOXL2和RUNX1 同時作用于等靶基因，共同維持胎兒卵巢顆粒前細胞的特性和功能，缺失會導致胎兒卵巢的雄性化。

卵巢顆粒細胞可以通過自分泌和旁分泌生長因子調節(jié)促性腺激素的功能。在山羊顆粒細胞線粒體中，沉默轉錄因子會降低轉錄因子TFAM 的轉錄活性，之后過表達導致類固醇合成急性調控蛋白（Steroidogenic Acute Regulatory Protein，）、3-羥類脫氫酶/異構酶（3beta-Hydroxysteroid Dehydr ogenase/Isomerase，）、細胞色素P450 超家族成員1（Cytochrome P450 family 19 subfamily A member 1，）等基因表達上調，促進類固醇激素的合成。在絨山羊大卵泡顆粒細胞中，轉錄因子SF1 通過與premi R-202 和啟動子結合提高基因表達，進而促進雌二醇的分泌。轉錄因子基因過表達會降低山羊顆粒細胞中轉錄因子SP1 的相對豐度、減弱SMAD（Sma Mad）蛋白磷酸化，從而抑制雌二醇和孕酮的產生。此外，轉錄因子BHLHE22 可促進卵巢顆粒細胞活力、抑制卵巢顆粒細胞凋亡，而FOXC1、SP1 2 個轉錄因子則與之相反。

此外，轉錄因子ATBF1 通過結合雌激素受體（Estrogen Receptor，ER）調節(jié)孕酮信號通路，在陜北白絨山羊中，基因的12 bp 插入與第1 胎產仔數(shù)顯著相關，基因的12 bp 插入與山羊產仔數(shù)顯著相關。轉錄因子IRF2 可抑制、催產素受體基因（Oxytocin Receptor，）的表達。

轉錄因子在山羊雄性生殖器官發(fā)育、穩(wěn)定內環(huán)境方面發(fā)揮重要作用。在奶山羊睪丸發(fā)育過程中，過表達轉錄因子基因促進視黃酸刺激基因8（Stimulated by Retinoic Acid 8，）和受體酪氨酸激酶（KIT Proto-Oncogene，Receptor Tyrosine Kinase，）的表達。轉錄因子PLZF 是鋅指蛋白家族成員，其基因表達受miR-544 的靶向抑制，過表達會抑制miR146a 表達，下調將激活miR-19b-3p 誘導的Jak-Stat 信號通路，從而調控山羊精原干細胞的自我更新。轉錄因子DMRT1 是決定性別的重要因子，在山羊曲細精管中敲除會導致大量體細胞和生殖細胞變性、促炎因子的表達升高。

除了雌性和雄性生殖，轉錄因子在山羊胚胎和胎盤發(fā)育中也發(fā)揮重要作用。轉錄因子的表達主要分布在胚胎干細胞中，受到轉錄因子MZF1 的調控，可誘導山羊纖維細胞重編程為誘導性多能性干細胞。在山羊胎盤中，轉錄因子YY1 通過與CpG-甲基化序列結合抑制印跡基因（Pleckstrin Homology-Like Domain Family A Member 2，）的表達，進而調節(jié)胎盤發(fā)育。

4 轉錄因子對山羊泌乳性能的調控

山羊奶中富含短、中鏈脂肪酸，更易被人體消化吸收，其中脂肪酸組成和含量是影響乳品風味和品質的重要因素。轉錄因子SP1、PPAR、LXR、CREB1、FOXO1 和SREBP 等組成1 個緊密關聯(lián)的網(wǎng)絡，調節(jié)山羊乳脂代謝。轉錄因子SP1 調控催化脂肪酸合成第1 階段，在山羊乳腺上皮細胞中過表達會誘導轉錄因子和基因高表達。PPAR是調控奶山羊乳腺中脂肪酸代謝的核心轉錄因子，其靶基因參與調控脂肪酸合成、去飽和化、脂滴形成以及甘油三酯的合成。LXR、CREB1 以及長期飼喂高精料日糧均會誘導山羊轉錄因子過表達，進而調控其靶基因和胰島素受體（Insulin Receptor，）基因表達水平上調，促進肝臟脂肪合成、消耗乳脂合成的前體物，從而減少乳脂的合成；同時，的表達受到FOXO1 的抑制。在山羊乳腺上皮細胞過表達可顯著上調超長鏈脂肪酸延伸酶（Elongase Of Very Long Chain Fatty Acids 6，）、脂肪因子（）、二酰甘油酰基轉移酶1（Diacylglycerol Acyltransferase 1，）等參與脂肪酸攝取和運輸?shù)幕虻霓D錄。在山羊乳腺上皮細胞敲除后，、硬脂酰輔酶A 去飽和酶1（Stearoyl-Coenzyme A Desaturase 1，）、二酰甘油?；D移酶2（Diacylglycerol O-Acyltransferase 2，）、甘油-3-磷酸?；D移酶線粒體（Glycerol-3-Phosphate Acyltransferase Mitochondrial，）表達顯著上調，三酰甘油合成增加。

此外，轉錄因子與山羊產奶性狀緊密關聯(lián)。在山羊乳腺上皮細胞中，轉錄因子FOSB 可促進基質金屬蛋白酶9（Matrix metalloproteinase-9，）、家庭成員4（SMAD family member 4，）、S100 鈣結合蛋白A4（S100 calcium binding protein A4，）和S100 鈣結合蛋白A13（S100 calcium binding protein A13，）基因的表達；同時過表達會導致乳腺上皮細胞內Ca減少、低表達則導致Ca升高，從而影響產奶量以及乳品質。此外，研究發(fā)現(xiàn)轉錄因子STAT5A 與奶山羊的產奶量和乳密度顯著相關。轉錄因子PITX2 調控限制性核酸內切酶和個靶基因，和的多態(tài)性與奶山羊的乳脂含量、乳糖含量和乳密度顯著相關。轉錄因子RBPJ、INSIG1、ELF2 調節(jié)脂質形成、甘油三酯合成和酪蛋白分泌，進而影響山羊乳脂的含量、脂肪酸的分泌。

5 轉錄因子對山羊產肉性能的調控

羊肉品質受到多種因素的影響，其中肌內脂肪與肉的風味、嫩度存在密切相關性，進而影響肌間脂肪的蓄積等肉質性狀。轉錄因子FGF10 調控脂肪細胞的增殖和分化，調節(jié)KLFs 轉錄因子家族成員的表達，沉默轉錄因子會影響山羊前脂肪細胞中脂蛋白脂肪酶（lipoprotein lipase，）、、前脂肪細胞因子-1（Preadipocyte Factor-1，）的表達。LXR功能喪失會抑制和表達，從而減少山羊肌內脂肪生成。

MYOD1 是成肌的驅動轉錄因子，通過與小腦變性相關蛋白1 反義轉錄物（CDR1 antisense RNA，）啟動子中的CTAGACAGGTGTT 序列結合來促進的表達，顯著誘導山羊肌肉分化。此外，轉錄因子Oct-1、C/EBP 和NKX-2.5 靶向調控山羊肌肉生長抑制素基因（Myostatin，），以調節(jié)山羊肌肉的生長發(fā)育；轉錄因子基因啟動子CpG 島整體甲基化狀態(tài)與海南黑山羊體重顯著相關。

6 小結與展望

轉錄因子對基因表達的調控是領域的研究熱點，但是精準定位轉錄因子在基因組上的結合位點、解析轉錄因子在轉錄調控中發(fā)揮的分子機制一直是領域內的巨大挑戰(zhàn)。近些年山羊轉錄因子的研究逐漸發(fā)展和深入，取得許多進展，但仍存在一些不足，可通過以下方面進行補充。第一，精準定位轉錄因子的特異性結合位點，深入解析轉錄因子的靶向調控基因，闡明轉錄因子影響山羊經濟性狀的分子機制；第二，除繁殖和脂代謝等方面的調控以外，還應該多關注山羊其他代謝和經濟性狀的分子機理；第三，我國山羊種質資源豐富，現(xiàn)有研究主要集中于常見的如內蒙古絨山羊、西農薩能奶山羊等幾類山羊品種，但對其他具有鮮明地方特色的品種的研究還有待深入；第四，轉錄是由許多因子共同參與完成的復雜過程，深入研究轉錄調控的分子機制需要解析多個轉錄因子之間的相互作用。隨著后基因組時代的到來，高通量基因表達數(shù)據(jù)的不斷積累，可以從全基因組的層面，通過生物信息學和系統(tǒng)生物學手段重構山羊調控網(wǎng)絡、深入解析轉錄調控的分子機制、挖掘重要的功能模塊、發(fā)現(xiàn)關鍵轉錄因子和互作因子等。

轉錄因子在山羊基因的轉錄過程中發(fā)揮著重要調控作用，直接或間接影響山羊的生產性能和特殊經濟性狀，目前發(fā)現(xiàn)的山羊轉錄因子數(shù)目相對較少且其分子機制尚未深入探索，理論上還存在大部分尚未發(fā)現(xiàn)的轉錄因子，今后應對山羊轉錄因子展開更深入和全面的研究，充分解析其作用的分子機理，為山羊遺傳改良實踐提供可靠的理論依據(jù)。