角蛋白家族基因及其與動物毛發(fā)性狀關系的研究進展

戴瑩瑩，劉 明，張希宇，胡帥帥，陳 陽，吳信生

（1.揚州大學動物科學與技術學院，江蘇揚州 225009；2.泗洪縣水產(chǎn)技術推廣站，江蘇宿遷 223900）

角蛋白（Keratin）是一種普遍存在于各種生物體中的非營養(yǎng)性蛋白，是毛發(fā)、皮膚、角的主要組成成分。一方面，角蛋白作為上皮細胞的骨架蛋白，維持表皮細胞的形態(tài)穩(wěn)定與剛性；另一方面，角蛋白具有調(diào)控功能，在防止表皮損傷、創(chuàng)傷修復以及細胞凋亡等過程中發(fā)揮作用。角蛋白有兩類，即角蛋白中間絲蛋白（Keratin Intermediate Filament，KIF）和角蛋白關聯(lián)蛋白（Keratin Association Protein，KAP），前者一般用KRTn表示，后者用KAPn表示。角蛋白是組成動物毛發(fā)纖維結構的重要成分，因此在尋找控制毛皮性狀的主效基因時，角蛋白基因是首選的候選基因。

角蛋白基因?qū)儆诙嗷蚣易?，目前已發(fā)現(xiàn)的編碼角蛋白的基因有50～100個。在人和小鼠上，大多數(shù)角蛋白基因都已得到克隆并在染色體上進行定位，并且證實角蛋白基因與人類皮膚病以及腫瘤形成具有相關性。在動物生產(chǎn)中，角蛋白基因的研究集中于以產(chǎn)毛性能為主的毛皮動物，如綿羊、山羊、毛兔等，以分析角蛋白基因與產(chǎn)毛性狀的相關性為主。本文從角蛋白基因的結構、表達定位、多態(tài)性等方面對角蛋白基因的研究進展進行總結，探究角蛋白基因在分子遺傳育種中應用價值，為進一步研究角蛋白基因與相關經(jīng)濟性狀的相互關系提供理論依據(jù)。

1 角蛋白基因家族

毛發(fā)中含有KRT蛋白與KAP蛋白兩類角蛋白。編碼KRT蛋白和KAP蛋白的基因均是多基因家族，其中基因可分為I型（酸性）和II型（堿性）2個亞家族基因，KAP基因結構較為復雜，根據(jù)氨基酸組成與基因結構的不同，可分為23個亞家族成員（KAP1.n～KAP23.n）。

1.1 基因結構基因在哺乳動物染色體上的排列順序及系統(tǒng)發(fā)育具有高度的一致性，是一類起源較早、進化比較保守的基因。其中I型的基因有8個內(nèi)含子，大小在7 000～9 000 bp，II型的有6個內(nèi)含子，大小在4 000～5 000 bp。KAP基因家族在染色體上成簇存在，長度一般在600～1 500 bp，整個基因只含1個外顯子，沒有內(nèi)含子。KAP蛋白是高硫蛋白，根據(jù)氨基酸組成的不同可以分為高甘氨酸-酪氨酸角蛋白（HGT KAPs）、高硫角蛋白（HS KAPs）和超高硫角蛋白（UHS KAPs）。KRT蛋白是低硫蛋白，在不同生物中的種類與數(shù)量都有所不同，按成分與結構可分為角蛋白與角蛋白，哺乳動物中主要為角蛋白，其特點是富含半胱氨酸，角蛋白可根據(jù)半胱氨酸的含量形成不同軟硬程度的角蛋白，半胱氨酸含量越多，角蛋白越硬。而鳥類和爬行動物中主要為角蛋白。KAP蛋白是毛發(fā)基質(zhì)的重要組成成分，是哺乳動物特有的一類角蛋白。

1.2 基因定位 對角蛋白家族的基因定位是研究其相關功能的重要基礎，隨著人類基因組計劃的完成，人類角蛋白家族基因已在染色體上得到定位，大致分布于3條染色體的5個區(qū)域。其他哺乳動物僅有小鼠、綿羊、兔的大部分角蛋白基因得到定位，其余動物的角蛋白家族基因的定位研究尚不完全。在綿羊中，I型與II型基因家族分別定位于11號、3號染色體，KAP家族基因大多定位于1號和11號染色體。家兔的I型和II型基因分別定為與4號和14號染色體，KAP基因主要分布在14號和19號染色體。

2 角蛋白基因多態(tài)性與毛發(fā)性狀相關研究

毛發(fā)性狀是哺乳動物特有的性狀，動物的毛發(fā)纖維中角蛋白含量約有90%，角蛋白基因是毛皮動物相關經(jīng)濟性狀的首要候選基因。

在羊生產(chǎn)上，張亞妮等和孟偉星等都采用PCR-SSCP技術研究了內(nèi)蒙古絨山羊基因（與）的多態(tài)性，通過PCRSSCP檢測出3個基因型：AA、AB和BB，其中AA和BB基因型與產(chǎn)絨量之間有顯著相關性，內(nèi)蒙古絨山羊中存在5個多態(tài)位點，其中和的BB基因型是產(chǎn)絨性狀的優(yōu)勢基因型，可見角蛋白基因可作為產(chǎn)絨性狀的優(yōu)勢標記基因型。田月珍等檢測了289只細毛羊基因CDS區(qū)的多態(tài)性，篩選出5個SNP位點，基因存在3種基因型AA、AB、BB，并且不同基因型之間的羊毛細度性狀有極顯著差異。晏華春研究了角蛋白候選基因的遺傳變異與和田羊毛長度與細度的相關性，發(fā)現(xiàn)4個角蛋白基因存在多態(tài)性。這些研究結果都表明角蛋白相關基因與羊毛長度和細度的相關性，角蛋白之間相互組合還能表現(xiàn)出優(yōu)勢效應，為進一步開展和田羊毛性狀多基因聚合育種提供了一定的參考，并且角蛋白的相關基因可以作為羊毛細度性狀的一個分子標記。

在兔生產(chǎn)上，張露檢測了長毛兔產(chǎn)毛性狀相關候選基因5′調(diào)控區(qū)的多態(tài)性后發(fā)現(xiàn)，基因的突變對長毛兔絨毛長度與粗毛纖維直徑有顯著影響；基因突變對長毛兔絨毛長度有顯著影響；基因的突變對長毛兔粗毛長度與絨毛直徑有顯著影響。這3個SNP位點作用方式都為加性效應，均有望成為長毛兔相關產(chǎn)毛性狀選育的分子標記?；孪季陮ΛH兔和基因的多態(tài)性與其經(jīng)濟性狀關聯(lián)性研究后發(fā)現(xiàn)基因存在3個基因型，其中BB基因型的被毛密度極顯著高于AA型和AB型，并且該性狀的遺傳相關為0.795。因此基因可作為獺兔胴體深和被毛密度性狀的標記基因。眾多研究表明，角蛋白家族基因的多態(tài)性與產(chǎn)絨量以及毛細度、長度、密度等毛發(fā)性狀均有相關性，進一步作為毛發(fā)相關經(jīng)濟性狀的候選基因參與品種選育，提高生產(chǎn)效率。

3 角蛋白基因的表達

毛發(fā)纖維中角蛋白占毛量的65%～95%，由KRT蛋白鑲嵌在KAP蛋白的基質(zhì)中，形成高度規(guī)則的纖維絲結構。其中KRT蛋白是毛發(fā)的骨架，結構與含量相對穩(wěn)定；KAP蛋白是毛發(fā)的基質(zhì)，不同物種乃至同一物種間結構與含量都有所差異，KAP蛋白含量的變化顯示出不同的毛品質(zhì)。眾多研究表明，大部分角蛋白都在毛囊的皮質(zhì)、表皮以及毛母質(zhì)細胞中特異表達，并且不同角蛋白的表達模式與表達時間有所差異，并且這些角蛋白基因表達的差異可導致不同的毛發(fā)性狀。

3.1 角蛋白基因表達與毛囊發(fā)育 毛囊是控制動物毛發(fā)生長的附屬物，廣泛存在于動物皮膚的表面，具有自我更新和周期性生長的特點。動物毛囊發(fā)育是一個動態(tài)過程，其最外在表現(xiàn)就是毛纖維的的生長，因此皮膚毛囊的發(fā)育直接影響動物毛皮的產(chǎn)量和品質(zhì)。

劉春潔等使用組織表達序列標簽（ESTs）技術篩選出與毛囊發(fā)育相關的4個角蛋白基因，這4個角蛋白基因在超細型細毛羊皮膚中的表達量極顯著高于細型細毛羊，其中表達量最高。余娟娟利用基因芯片技術檢測了敖漢細毛羊不同毛囊發(fā)育時期（生長期與休止期）不同部位（頸部和腹股溝部）上皮組織的基因表達差異，發(fā)現(xiàn)基因在生長期頸部的表達量極顯著高于腹股溝部，表明這4個基因與細毛羊毛囊密度有重要聯(lián)系?？梢娊堑鞍谆蚺c毛囊發(fā)育密切相關，在不同的毛囊發(fā)育時期有著不同的表達模式。角蛋白基因可作為毛囊發(fā)育的候選基因以研究毛囊發(fā)育的相關性狀。

3.2 角蛋白基因表達與毛品質(zhì) 李冰利用家兔全基因組芯片篩選了不同被毛密度獺兔的差異表達基因，結果顯示與等角蛋白基因在密毛組表達上調(diào)。這些角蛋白基因的異常表達可能與皮膚毛囊發(fā)育有關，最終導致被毛密度的差異。狄江等利用表達譜芯片技術檢測了細毛羊不同被毛纖維直徑皮膚組織mRNA的表達差異，結果發(fā)現(xiàn)，與粗毛組相比，個角蛋白基因在細毛組中顯著上調(diào)?？禃札垖?月齡與48月齡的灘羊皮膚組織進行轉(zhuǎn)錄組測序，發(fā)現(xiàn)眾多高表達的角蛋白基因如等，這些基因涉及的信號通路參與到毛發(fā)結構的形成與生長中；進一步對基因研究發(fā)現(xiàn)基因在1月齡灘羊的皮膚組織中表達較高，在羊毛卷曲被毛的形成中發(fā)揮重要作用?？梢娊堑鞍谆蛟诿焚|(zhì)中的重要性，為進一步研究角蛋白基因作為候選基因?qū)γ焚|(zhì)的影響提供了依據(jù)。

3.3 角蛋白基因表達調(diào)控 Powell等分析了15個角蛋白家族基因的序列后發(fā)現(xiàn)，角蛋白家族基因中存在與特定的基因家族相關的保守序列，其中一個序列（CTTTGAAG）在基因的啟動子上高度保守，該序列是淋巴增強因子1（LEF1）的結合位點，LEF1被認為可以形成有利于與毛發(fā)角蛋白基因啟動子結合的結構域，從而促進角蛋白基因的表達。另外，大多角蛋白基因啟動子區(qū)含有轉(zhuǎn)錄因子AP1和AP2的結合位點，AP1與AP2都參與調(diào)節(jié)毛發(fā)角蛋白基因的表達。目前學界認為動物毛發(fā)性狀是多基因調(diào)控的結果，其調(diào)控機制較為復雜，可能涉及到KRT-KRT，KRT-KAP，KAP-KAP家族之間的相互作用，也可能受到其他基因的調(diào)控。由于沒有合適的毛囊細胞系，有關角蛋白基因功能與表達調(diào)控的研究較少，具體的分子機制尚未明確，目前對角蛋白基因的研究以啟動子區(qū)序列分析與轉(zhuǎn)錄因子對基因表達的調(diào)控為主。

4 小 結

目前，我國關于毛皮動物的育種仍以傳統(tǒng)的雜交育種為主，育種周期長且效率低，不能很好地滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求。隨著現(xiàn)代分子生物技術的發(fā)展，動物分子育種應運而生，特別是SNP分子標記的運用，將候選基因與目的性狀相關聯(lián)，可以迅速地篩選出優(yōu)勢基因型，提高育種進程。角蛋白基因作為毛發(fā)性狀的關鍵基因，是研究毛皮動物產(chǎn)毛性狀及其相關調(diào)控機制的熱點基因。通過研究皮膚與毛發(fā)中角蛋白基因的組成及其多態(tài)性，作為標記基因用于優(yōu)良毛皮性狀的選育，對于毛皮動物的遺傳育種具有重要意義。因此，對毛皮動物角蛋白基因的定位、多態(tài)性與毛皮性狀的關聯(lián)性以及相關的表達調(diào)控機制仍有待進一步研究。