綿羊短尾表型研究進(jìn)展

竇傲蕾，楊 光，趙霏霏，蘇 紅，楊宏新，馬 騰，曹貴方

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)獸醫(yī)學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010018)

世界上脊椎動物的尾巴大部分是天生的，尾巴被賦予了獨(dú)特的功能，如維持身體平衡、同一物種間的通訊工具和攻擊、儲存營養(yǎng)、運(yùn)動、體溫調(diào)節(jié)等[1]，研究人員發(fā)現(xiàn)一類動物的尾部長度明顯短于此范圍，這種現(xiàn)象可以穩(wěn)定地遺傳給后代，“短尾征”也以此現(xiàn)象命名[2]。在進(jìn)化過程中，犬、貓、鼠、猴等動物也出現(xiàn)了尾巴缺失或縮短的情況。綿羊也不例外，國內(nèi)外研究者因此提出了綿羊“短尾征”的概念。目前，動物短尾的成因已成為動物遺傳學(xué)的重要研究內(nèi)容之一。然而，國際權(quán)威網(wǎng)站上關(guān)于“短尾征”的研究論文主要集中在犬、貓、小鼠的短尾形成方面，綿羊短尾機(jī)制的研究較少。

中國地方綿羊品種按尾型分為5種，即短肥尾羊、長肥尾羊、短瘦尾羊、長瘦尾羊、肥臀羊。根據(jù)歷史、考古和遺傳學(xué)證據(jù)，蒙古羊是中國短尾羊品種的共同祖先。隨著對健康、營養(yǎng)和肥胖認(rèn)識的不斷提高,人們對肉類食品質(zhì)量的要求逐漸提高，脂肪含量已成為衡量肉類食品質(zhì)量的主要因素，脂肪的過度積累將嚴(yán)重影響動物的健康和肉類食品的品質(zhì)和口感，因此高蛋白羊肉在畜牧產(chǎn)品市場越來越受消費(fèi)者的歡迎。因此，綜合考慮消費(fèi)者健康及牧民的養(yǎng)殖效益，養(yǎng)殖短尾羊已經(jīng)成為養(yǎng)殖業(yè)的新選擇。在眾多短尾綿羊品種中，呼倫貝爾短尾綿羊因其高蛋白質(zhì)含量、獨(dú)特的肉質(zhì)、高瘦肉率和遺傳穩(wěn)定而脫穎而出。呼倫貝爾羊有2個品種，即“短尾羊”和“大尾羊”。由于不同綿羊尾部性狀存在諸多差異，造成此差異的遺傳學(xué)機(jī)制還不明確，因此研究控制綿羊尾部表型的形成機(jī)制至關(guān)重要。論文在綿羊短尾性狀遺傳學(xué)機(jī)制研究上做一綜述，以期對了解和研究控制綿羊尾部大小的分子機(jī)制提供理論基礎(chǔ)。

1 綿羊尾部及短尾表型形成機(jī)制研究

研究人員發(fā)現(xiàn)，綿羊短尾表型的形成主要是由于尾部脂肪沉積和尾椎骨畸形[3]。目前，蒙古羊是中國分布最廣、數(shù)量最多的綿羊品種。隨著貿(mào)易、民族間戰(zhàn)爭和草原部落向南移動，除了內(nèi)蒙古自治區(qū)外，蒙古羊被傳入中國新疆、甘肅、青海、河南、山東、江蘇、浙江等省份，是我國寶貴的畜牧遺傳資源之一。目前，由于消費(fèi)者對肉類的低脂肪、高蛋白、高營養(yǎng)等健康食品的要求，越來越多的牧民正在繁殖和擴(kuò)大綿羊中的短尾型綿羊的養(yǎng)殖。這使得綿羊短尾表型形成機(jī)制成為了眾多科研人員研究的熱點(diǎn)問題。對于尾部脂肪沉積與尾椎骨畸形兩方面的研究內(nèi)容，不同的研究人員得出了不同的研究結(jié)論，但是，現(xiàn)階段大部分相關(guān)研究更多的聚焦于某一種引起短尾性狀的生物分子學(xué)機(jī)制，這可能與不同類短尾表型綿羊所在地域和人工繁育以及研究時所選參考基因組版本等諸多因素密切相關(guān)?，F(xiàn)有研究顯示，雖然不同地區(qū)短尾綿羊在表型上有一定的差異，但絕大部分表型是脂尾短厚而寬，部分覆蓋或完全露出肛門、外陰。

1.1 影響短尾綿羊尾部脂肪沉積的因素探討

儲存在羊尾巴上的脂肪與儲存在駱駝駝峰上的脂肪起著相同的作用，幫助它們在環(huán)境惡劣、食物資源匱乏的不利環(huán)境中生存。在食物充足的情況下，肥尾羊會在尾部儲存大量多余脂肪，形成一條又長又大的肥尾巴。由于綿羊脂肪的積累需要攝取更多的能量，所以會降低綿羊的經(jīng)濟(jì)價值。發(fā)展和繁殖短尾型綿羊的目的是為了提高綿羊飼養(yǎng)過程中的肉類比例，滿足消費(fèi)者對健康食品的需求。早期的研究表明，影響綿羊尾巴沉積的基因不會影響綿羊的整體脂肪水平，而只影響身體某些部位的脂肪沉積[4]。一些研究人員直接以綿羊的尾巴為研究對象，篩選和鑒定與尾巴脂肪積累相關(guān)的基因。

1.1.1 基因 文獻(xiàn)[4]選擇湖羊(短肥尾)和藏羊(短瘦尾)作為研究對象，該研究指出，綿羊尾巴中的脂肪沉積和綿羊尾巴長度的類型可能與BMP2蛋白有關(guān)。另外，Bmp2基因直接參與了綿羊胚胎時期的形態(tài)和體節(jié)的發(fā)育[5]。Bmp2基因與非洲爪蟾尾巴的再生和發(fā)育有關(guān)，這一點(diǎn)在非洲爪蟾的研究中也得到了證實(shí)，并且Bmp2基因作為轉(zhuǎn)錄抑制劑直接受Vrtn基因調(diào)控。Vrtn基因也是控制綿羊和豬脊椎動物數(shù)量的主要候選基因。綜合來看，Bmp2基因可能在動物骨骼發(fā)育過程中起作用。與大尾羊相比，短尾羊的尾骨數(shù)量與脂肪量明顯較少，但Bmp2促進(jìn)脂肪的形成和成骨細(xì)胞的分化，調(diào)節(jié)綿羊尾骨數(shù)量或直接參與綿羊尾巴脂肪的積累，影響脂肪積累量[6]。該項(xiàng)研究推測得出尾椎體數(shù)量的增加與脂肪沉積量的增加有密切的關(guān)系。

1.1.2 蛋白 在蛋白質(zhì)組學(xué)的研究方面，有研究成果表明FABP4蛋白在尾部沉積中起著重要作用[7]，PPAR信號通路中的差異表達(dá)蛋白可能調(diào)節(jié)脂肪細(xì)胞的代謝和分化。參與PPAR信號通路的差異表達(dá)蛋白可能發(fā)揮了對綿羊尾臀部脂肪細(xì)胞的分化與脂質(zhì)代謝的調(diào)節(jié)作用，特別是肥尾型綿羊的FABP4蛋白的高表達(dá)。Han J等的研究篩選得到了大尾羊中有幾種與脂肪沉積和脂肪形成相關(guān)的功能候選基因包括acsl1、acaca、acly、fasn、atgl和hsl，這些基因已被驗(yàn)證為決定脂肪組織脂質(zhì)代謝的重要因素[7]。同時，該項(xiàng)研究檢測到acsl1、acaca、acly和fasn這4種基因分別在大尾綿羊尾部中上調(diào)，這些上調(diào)的蛋白質(zhì)可能在調(diào)節(jié)脂肪酸的運(yùn)輸、合成和脂肪組織的形成方面起重要作用[8，9]。脂肪細(xì)胞的生長和分化導(dǎo)致脂肪細(xì)胞的質(zhì)量增加和脂肪的積累，都是產(chǎn)生脂肪的主要原因[10]。PPAR信號通路對調(diào)節(jié)脂肪細(xì)胞分化和脂肪細(xì)胞增殖起著重要作用[11]，PPAR信號通路中的基因(包括Fabp4、Fabp5、Acaa1、Acsl1、Lpl、Acsl6、Plin4、Plin1、Scd和Adipoq)在大尾羊尾部基因表達(dá)明顯上調(diào)。PPAR信號通路中這些上調(diào)的基因可能有助于綿羊尾部或臀部的脂肪沉積[12]。

在Ren X[13]等使用了SNP基因分型技術(shù)的研究中，發(fā)現(xiàn)4個候選基因(Rip140、Ctbp1、Steap4和Creb1)可能與綿羊尾部脂肪沉積相關(guān)。Hongying Fan[14]等人以呼倫貝爾短尾羊與巴爾虎羊(大尾羊)為研究對象，并進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測序發(fā)現(xiàn)Hadnb、Echs1、Acsl5、Hadh和Ppt1這5個基因表達(dá)上調(diào)，Cpt1b和Gcdh2個基因表達(dá)下調(diào)，通過對短尾母羊與大尾母羊的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)大尾羊尾巴中有7個基因(Fads1、Fads2、Acsl1、Elovl5、Plin1、Ehhadh和Acald)上調(diào)，這解釋了呼倫貝爾短尾羊和巴爾虎羊尾脂肪相關(guān)基因的差異表達(dá)。

Zhang等[15]對細(xì)尾羊和肥尾羊品種的研究中，染色體5、7和X被確定為影響脂肪沉積的3個基因組區(qū)域。Moioli等[16]對2個肥尾品種和13個細(xì)尾品種數(shù)量的標(biāo)記基因全譜檢測發(fā)現(xiàn)，基因Bmp2和Vrtn可能與羊尾型有關(guān)。Yuan等[17]在肥尾和細(xì)尾羊中檢測到標(biāo)記基因Bmp2、Hoxa11、Wdr92、Ppp1cc、Sp3、Sp9和Prokr1對肥尾羊和細(xì)尾羊的尾部脂肪發(fā)育有積極影響，并可通過相關(guān)基因的表達(dá)促進(jìn)脂肪分解。對蒙古綿羊尾部脂肪沉積的研究表明，發(fā)育基因Hoxc13、Hoxc12、Hoxc11和脂肪尾部表達(dá)基因Sp9、Hotair3、Hotair2以及脂肪相關(guān)基因Adipoq、Cd36、Fabp4、Fabp5都是形成脂肪沉積的重要基因[18]。

1.1.3 微小核糖核酸miRNA 微小核糖核酸(microRNA,miRNA)是一種非編碼的單鏈RNA分子，由內(nèi)源性基因編碼，長度約為22個核苷酸。它是由Dicer和Drosha核糖核酸酶Ⅲ蛋白質(zhì)處理的莖環(huán)結(jié)構(gòu)。miRNA在脂肪細(xì)胞分化和維持生物穩(wěn)態(tài)中起著決定性作用。Mohammad[19]等以Lori-Bakhtiari羊(寬肥尾)和Zel羊(瘦脂尾)為研究對象，最終篩選出7個不同表達(dá)的基因，發(fā)現(xiàn)了3個重要的生物過程模塊與胰島素分泌、脂質(zhì)代謝有關(guān)。近年來，關(guān)于miRNA在生物體內(nèi)家畜脂肪組織中的作用的研究越來越多，但關(guān)于綿羊miRNA的脂質(zhì)控制代謝的報道很少。徐紅偉[20]等發(fā)現(xiàn)，從形態(tài)學(xué)和組織學(xué)的角度，以小尾寒羊和蘭州大尾寒羊?yàn)閷?shí)驗(yàn)對象，對尾脂進(jìn)行組學(xué)分析，篩選出不同表達(dá)的蛋白質(zhì)、基因和非編碼RNA(ncRNA)等調(diào)控因子，這對了解不同肥尾類型綿羊體脂分布的機(jī)理具有重要作用；在小尾寒羊和蘭州大尾巴羊的尾部脂肪組織中，共發(fā)現(xiàn)了11種miRNA表達(dá)的差異性，其中6種miRNA在不同的脂肪組織中表現(xiàn)的差異特別明顯。顯然，僅通過基因表達(dá)譜分析很難準(zhǔn)確地找到脂肪沉積的特定調(diào)控途徑。有必要在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)行深入研究，以揭示羊尾脂肪沉積的確切遺傳機(jī)制。

1.1.4 性別因素 性別差異引起二者在新陳代謝上表現(xiàn)出極為顯著的差異，過往研究分析了大量性別差異下的生理學(xué)異同，比如，差異化性別間的激素水平與基因表達(dá)的不同之處，研究結(jié)果顯示，相對于男性腹部，女性臀部與大腿部分的脂肪沉積更明顯。這說明，某些特定部分的脂肪沉積受到獨(dú)特基因的控制。所以，在特定部位與不同性別間脂肪沉積的遺傳機(jī)制是存在差異的。Hongying Fan[21]對比研究了呼倫貝爾短尾羊和大尾羊2類呼倫貝爾羊的尾部轉(zhuǎn)錄組測序結(jié)果，其創(chuàng)新之處體現(xiàn)在將性別影響因素考慮進(jìn)來展開研究，在尾部大小一致的兩種性別間對比，結(jié)果顯示，大尾羊和小尾羊分別有獨(dú)立的9個和12個生物學(xué)過程。首先，在尾部大小不一樣的雄性綿羊群中，在13條KEGG信號通路內(nèi)富集差異基因。在其中確定了與脂肪酸代謝存在相關(guān)性的脂肪酸降解、脂肪酸代謝和延伸率三個生物學(xué)過程。在尾部大小不一樣的雌性綿羊群中所獲得的差異基因，合計富集到51條KEGG信號通路，而與脂肪沉積存在相關(guān)性的信號通路有兩條，參與了脂肪酸代謝和脂肪細(xì)胞中脂質(zhì)降解的調(diào)控過程。然而，在短尾羊樣本內(nèi)與脂肪代謝相關(guān)的信號通路僅有PI3K-Akt信號傳導(dǎo)途徑這一條。在對比大尾羊和短尾公羊的差異基因富集的信號通路時發(fā)現(xiàn)了與過氧化物酶體增殖物激活受體γ(PPARG)相關(guān)的信號通路。此項(xiàng)研究確定了7個基因影響PPARG及大量其他調(diào)節(jié)因子，進(jìn)而對雄性呼倫貝爾綿羊尾脂肪中與脂肪酸代謝存在相關(guān)性的基因表達(dá)變化進(jìn)行了解釋，其中PPT1、HADH、ECHS1、HADHB和ACSL5這5個基因被上調(diào)，而CPT1B和GCDH基因則被下調(diào)。通過對比分析大尾與短尾母羊的相關(guān)數(shù)據(jù)可知，前者尾部的FADS1、ACADL、FADS2、PLIN1、ELOVL5、ACSL1和EHHADH基因表達(dá)都有上調(diào)，這7個基因可能影響綿羊胰島素的分泌，并且也能夠?qū)Π蜖柣⒀蚺c呼倫貝爾短尾羊尾脂肪中與脂肪酸代謝存在相關(guān)性的基因的差異表達(dá)進(jìn)行了解釋。

1.2 影響短尾綿羊尾椎骨發(fā)育的因素探討

1.2.1Brachyury基因Brachyury基因(T基因)編碼屬于T-box轉(zhuǎn)錄因子家族的BRACHYURY蛋白。BRACHYURY蛋白的轉(zhuǎn)錄活性在中胚層的形成和分化中起著關(guān)鍵作用[22]。Brachyury/T基因首先在原腸期表達(dá)，隨后的表達(dá)逐漸局限于發(fā)育中的尾芽和脊索，Brachyury/T基因的缺失或不正確表達(dá)將導(dǎo)致狗、貓、小鼠和綿羊的正常胚胎發(fā)育異常[23]。Brachyury/T基因在脊椎動物發(fā)育過程中可調(diào)控轉(zhuǎn)化生長因子和Wnt信號通路，Brachyury/T基因在突變雜合子個體中顯示骨缺損，在突變純合子個體中顯示嚴(yán)重的發(fā)育障礙，最終導(dǎo)致發(fā)育停止和死亡[24]。在對伊朗Dalagh短尾羊和Mehraban羊的研究中，提到純合Brachyury/T突變僅表明這些羊的尾部脊椎發(fā)育受到抑制[25]，這表明Brachyury/T突變可能促進(jìn)大尾羊尾部脂肪的積累。

在J Han[26]等的研究中，特別強(qiáng)調(diào)羊尾巴表型與Brachyury/T基因的c.333G與c.G334T 的2個突變有關(guān)。對于Brachyury/T中的這2個突變位點(diǎn)，純合基因型為CT/CT，僅存在于短尾綿羊中，但在大尾綿羊中未發(fā)現(xiàn)該基因型。Pfam結(jié)構(gòu)域分析表明，333和334個核苷酸分別對應(yīng)于111和112個氨基酸殘基，短臂蛋白的T盒結(jié)構(gòu)域可以激活基因轉(zhuǎn)錄。進(jìn)一步的雜交試驗(yàn)表明，短尾羊和大尾羊后代Brachyury/T基因的333與334為雜合GG/CT突變，均為長尾或正常表型。結(jié)果表明，GG單倍型為單顯性基因遺傳，CT/CT可能為“短尾”表型的隱性基因型。僅通過對Brachyury/T基因表達(dá)的分析，很難了解尾椎體畸形的具體調(diào)控途徑。有必要在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究，以揭示綿羊尾部脂肪沉積的確切遺傳機(jī)制。

1.2.2 其他基因 MGI數(shù)據(jù)庫內(nèi)記載了與短尾表型存在相關(guān)性的多種基因。對于小鼠身上導(dǎo)致短或異常尾巴的一系列不同基因可被視為是綿陽等其他短尾動物的候選基因。在關(guān)于鼠的研究中，從遺傳學(xué)維度分析了軸向骨骼發(fā)育，研究結(jié)果顯示，大量不同類基因與突變參與了尾椎骨的發(fā)育，并影響到機(jī)體的生殖力、體細(xì)胞與減數(shù)分裂，進(jìn)而清晰地揭示了脊椎動物的進(jìn)化過程[27]。

Pax1基因(成對框基因1)主要參與了骨骼發(fā)育和轉(zhuǎn)錄調(diào)控過程。在脊柱動物胚胎階段脊柱發(fā)育過程中發(fā)揮著關(guān)鍵性的作用[28]。Pax1在小鼠中3個等位基因突變導(dǎo)致出現(xiàn)短尾或無尾現(xiàn)象，Pax1基因參與生骨節(jié)凝聚過程，且腰骶椎周圍并未發(fā)生內(nèi)側(cè)生骨節(jié)的凝聚過程，因?yàn)椴荒苷o成此地程，使椎體與椎間盤無法正常生成[29]。

Wnt3a基因是Wnt家族中的一個成員，其對胚胎期神經(jīng)后軸的增殖與體節(jié)發(fā)育都不可或缺[30]。去除此基因的小鼠，由于尾芽不能正常發(fā)育使得其身形變短，純合突變的小鼠尾部大幅變形，表現(xiàn)出短尾、絲狀尾和無尾等現(xiàn)象，尾椎骨不完整，椎體外形不正常。一些小鼠甚至缺少骶骨前椎體，并在這些部位可觀察到畸形的尾部神經(jīng)管。

再者，還有HES7基因[31]、Bmper[32]、Dvl2[33]和T基因[34]等。但是，考慮到動物的尾部形態(tài)類型多樣，只是研究鼠這一種動物，是不可能下結(jié)論解釋其他哺乳動物尾巴的多樣性。所以，需要進(jìn)一步研究非模型物種，深入全面地研究綿羊等非鼠類哺乳動物尾巴的多樣性機(jī)制。

2 展望

綿羊尾部脂肪堆積過多，尾部過大，無法滿足目前人們對優(yōu)質(zhì)肉類的需求。綿羊尾巴脂肪積累和綿羊尾骨發(fā)育畸形的遺傳調(diào)節(jié)機(jī)制對綿羊新品種的選擇具有重要意義。論文從影響短尾綿羊尾部脂肪沉積的因素、影響短尾綿羊尾椎骨發(fā)育的因素深入探討綿羊短尾表型形成機(jī)制，綜述了基因、蛋白、miRNA和性別對綿羊尾部脂肪沉積的影響以及Brachyury基因和其他基因?qū)Χ涛簿d羊尾椎骨發(fā)育的影響。通過總結(jié)國內(nèi)外綿羊短尾表型形成機(jī)制的研究現(xiàn)狀，關(guān)于綿羊短尾表型形成機(jī)制未來優(yōu)化研究提出若干展望。后續(xù)研究中可精準(zhǔn)篩選與綿羊尾部脂肪堆積和尾椎骨畸形過程相關(guān)的基因，探索綿羊尾部表型的調(diào)節(jié)機(jī)制，對分析綿羊尾部表型的形成具有重要價值，培育短尾和低脂肉用綿羊具有重要的意義。