羊絨、羊毛品質(zhì)相關(guān)基因研究進(jìn)展

胡 姍,苗曉茸,霍永智,劉柯柯,胡忠昌

(榆林市羊產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心,陜西 榆林 719000)

羊絨、羊毛是羊的主要經(jīng)濟(jì)產(chǎn)物之一,其性狀如纖維直徑、纖維長度、彎曲度和柔軟度等決定了絨、毛的價(jià)值,在育種過程中提高絨毛品質(zhì)具有重要意義。絨毛品質(zhì)的影響因素有遺傳、營養(yǎng)水平、飼養(yǎng)環(huán)境、年齡、性別等因素。近年來,針對絨山羊、綿羊不同細(xì)度絨、羊毛的蛋白組分、含量、結(jié)構(gòu)以及相關(guān)基因表達(dá)調(diào)控等方面進(jìn)行了廣泛研究并取得了重大進(jìn)展[1]。研究表明角蛋白中間絲蛋白(KRTs)基因、角蛋白聯(lián)合蛋白(KRTAPn)基因、同源框(HOX)基因、成纖維細(xì)胞生長因子5(FGF5)基因是控制絨毛生長發(fā)育性狀的主效基因,起著不可或缺的作用。本文綜述了近年來關(guān)于這些基因以及非編碼RNA(ncRNA)對絨毛品質(zhì)的調(diào)控作用,為進(jìn)一步促進(jìn)中國羊絨產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供參考。

1 KRTs基因

羊毛纖維中角質(zhì)層占90%以上,角質(zhì)層由角蛋白組成,角蛋白由角蛋白聯(lián)合蛋白(keratin-associated proteins,KAPs)和角蛋白中間絲蛋白(intermediate filament proteins,IFPs)交叉連接形成。IFPs編碼基因按照基因簇和所在染色體命名為KRTs,KAPs蛋白編碼基因按照基因簇和所在染色體命名為KRTAPn。在毛囊生長發(fā)育過程中,KRTs和KRTAPn基因依次表達(dá),后經(jīng)過角質(zhì)化等復(fù)雜的過程形成羊毛。羊KRTs基因目前共發(fā)現(xiàn)17個,被命名為KRT31～40,KRT81～87[1]。

IFPs在不同品質(zhì)羊毛中的含量相對穩(wěn)定,因此IFPs蛋白含量與基因表達(dá)的研究很少。主要研究不同KRTs基因或者KRTs基因突變對羊毛性狀的影響。不同IFPs蛋白在毛囊不同部位表達(dá),KRT31、KRT33、KRT34、KRT36、KRT38～39、KRT81、KRT83和KRT86～87基因的轉(zhuǎn)錄本在皮質(zhì)層表達(dá),KRT40、KRT82和KRT84在角質(zhì)層中表達(dá),KRT32、KRT35和KRT85在角質(zhì)層和皮質(zhì)層均有表達(dá)[2]。研究發(fā)現(xiàn),綿羊KRT36和KRT38突變體與羊毛卷曲度顯著相關(guān)[3]。綿羊KRT83是最先表達(dá)且影響羊毛生長發(fā)育的重要基因,其高水平表達(dá)的轉(zhuǎn)基因綿羊羊毛纖維在光澤和柔韌性方面都有所提升,微觀和宏觀結(jié)構(gòu)均發(fā)生顯著改變[4-5]。多個綿羊KRT31基因突變體與羊毛長度、凈絨重、油脂絨重存在顯著性差異[6]。美利奴羊和新西蘭羅姆尼羊的KRT34基因變異體與纖維直徑和長度存在相關(guān)性,可能是潛在的提高羊毛質(zhì)量的標(biāo)記[7]。這些研究表明KRTs基因與羊毛彎曲、粗細(xì)、長度等性狀密切相關(guān)。

2 KRTAPn基因

KAPs的含量、種類和分布影響著羊毛的理化特性,其命名和分類較為復(fù)雜。目前主要依據(jù)半胱氨酸含量進(jìn)行分類,將KAPs分為高甘氨酸-酪氨酸蛋白(high-glycine-tyrosine KAPs,HGTPs)、高硫蛋白(high-sulfer KAPs,HSPs)、和超高硫蛋白(ultra-high-sulfur KAPs,UHSPs)3個家族,且在皮質(zhì)細(xì)胞中三者依次表達(dá),但該方式并不足以描述KAPs家族的復(fù)雜性和多樣性[8]。大量研究表明KAPs可以影響羊毛細(xì)度、長度、產(chǎn)量等羊毛性狀。

2.1 HGTPs

HGTPs蛋白主要包括KAP6～8和KAP18～22蛋白。HGTPs家族是從不同性狀羊毛中分離出的主要差異蛋白,因此備受關(guān)注,其中KAP6～8蛋白研究最多[1]。在內(nèi)蒙古阿爾巴斯白絨山羊胚胎期,KAP6 mRNA在初級毛囊和次級毛囊的皮質(zhì)層有強(qiáng)烈的表達(dá)信號,提示KAP6直接參與調(diào)控絨毛和粗毛的合成[9]。在遼寧絨山羊毛囊生長退行期,KAP7.1、KAP8.2在次級毛囊中的表達(dá)量顯著低于初級毛囊,與興盛期表達(dá)量相反,提示KAP7.1、KAP8.2還可能對毛囊周期性變化和絨細(xì)度有重要的調(diào)控作用[10]。薩?？搜蚺c中國美利奴羊的羊毛纖維直徑及自然長度差異極顯著,王晶晶等[11]研究發(fā)現(xiàn)KRTAP6、KRTAP7和KRTAP8基因在薩?？搜蚱つw組織中表達(dá)水平高于中國美利奴羊,與羊毛纖維直徑存在極顯著的高度正相關(guān),與羊毛自然長度呈現(xiàn)顯著的中等負(fù)相關(guān)。Matsunaga等[12]研究發(fā)現(xiàn)KAP8.1與K85的頭部結(jié)構(gòu)域特異性結(jié)合,該結(jié)構(gòu)域圍繞中間絲的軸螺旋排列,與羊毛卷曲性狀相關(guān)。這些研究說明KAP6～8基因的表達(dá)水平可以影響羊毛纖維直徑、自然長度、卷曲等性狀,可以作為研究羊毛纖維直徑、自然長度的候選基因。

大量研究表明,HGTP基因的突變會影響羊毛纖維直徑、長度、卷曲等相關(guān)的性狀,對不同品種羊的作用也不同。灘羊有兩種KRTAP6-1新變異體D和E,變異體D與出生時伸直纖維長度增加有關(guān),變體E與產(chǎn)后約35 d伸直纖維長度、卷曲數(shù)和卷曲程度增加有關(guān)[13]。Sallam等[14]發(fā)現(xiàn)巴基羊KRTAP6.1的3種基因型GG、GC和CC型中,CC基因型可以產(chǎn)出更多、更長、更細(xì)的羊毛。絨山羊KAP6-1發(fā)現(xiàn)A、B、C 3種變異體,變異體A與纖維直徑減少有關(guān),C與纖維長度減少有關(guān)[15]。綿羊KRTAP6-3基因發(fā)現(xiàn)存在7種基因型,基因型為AB、AA、AG羔羊的平均纖維直徑依次降低,且差異極顯著,含有等位基因G的綿羊的羊毛平均纖維直徑下降顯著[16]。在陜北白絨山羊、太行黑山羊和南疆絨山羊3個群體中,發(fā)現(xiàn)了KAP7基因的AA和AB 2個基因型,AA基因型為優(yōu)勢基因型[17]。和田羊KAP7基因也被發(fā)現(xiàn)具有多態(tài)性,存在AA、AB和BB 3種基因型,且不同基因型之間羊毛長度差異顯著[18]。內(nèi)蒙古絨山羊KAP8.1基因發(fā)現(xiàn)有由A、B、C 3個等位基因編碼的6種基因型,不同基因型與絨重、絨長和毛長的相關(guān)性存在顯著差異[19]。西藏絨山羊KAP8.2基因發(fā)現(xiàn)有6種帶型,其中基因型1的個體產(chǎn)絨量顯著高于基因型3的個體[20]。在新西蘭羅姆尼羊中發(fā)現(xiàn)KRTAP22-1基因變異構(gòu)成的2個等位基因(A、B),其中優(yōu)勢等位基因?yàn)锽(81.3%);美利奴雜種羊KRTAP22-1基因則有3個等位基因(A、B、C),其優(yōu)勢等位基因?yàn)锳(51.8%),而等位基因B的存在與較高的凈毛率和較低的平均羊毛卷曲率相關(guān)[16]。李少斌等[16]研究發(fā)現(xiàn)美利奴雜種羊KRTAP21-2基因有4個SNPs形成5個等位基因(A、B、C、D、E),基因型為AC的羔羊平均羊毛長度顯著大于CE,基因型為CE的羔羊纖維直徑變異系數(shù)顯著高于CC和BC,提示等位基因E的存在會降低羊毛長度。另外,在柴達(dá)木黑山羊、子午嶺黑山羊等4種山羊中發(fā)現(xiàn)了KRTAP22-2變異構(gòu)成的3個等位基因(A、B、C),AA和AB為優(yōu)勢基因型,但該變異未在美利奴雜種羊和新西蘭羅姆尼羊中發(fā)現(xiàn),說明KRTAP22-2基因在綿、山羊中的多態(tài)性存在較大差異[16]。

2.2 HSPs

HSPs蛋白主要包括KAP1～3、KAP10～16和KAP23蛋白。HSPs是羊毛纖維的重要組成蛋白之一,其以嚴(yán)格的時空表達(dá)模式在毛發(fā)纖維角質(zhì)化過程中被激活。王春生等[21]研究發(fā)現(xiàn)KAP1.3編碼基因KRTAP1.3的啟動子具有種屬特異性或時間特異性,KRTAP1.3僅在綿羊成纖維細(xì)胞中表達(dá),而在小鼠細(xì)胞中不表達(dá)。HSPs基因的表達(dá)和多態(tài)性對羊絨、羊毛的品質(zhì)性狀有著重要的影響。在陜北白絨山羊、太行黑山羊和南疆絨山羊中,KAP1-4基因均存在AA、AB 2個基因型,AA基因型為優(yōu)勢基因型[17]。隴東絨山羊中KRTAP2-1發(fā)現(xiàn)了7個等位基因(A、B、C、D、E、F、G),等位基因C的存在與較小的羊絨纖維直徑相關(guān)[22]。KRTAP3.3、KRTAP13.1和KRTAP11.1基因在毛囊中高度特異性表達(dá),前2個基因在綿羊毛囊中的表達(dá)量均顯著高于皮膚[23-24]。遼寧新品系絨山羊的KAP11.1和KAP26.1基因在毛囊生長退行期時在初級毛囊的表達(dá)量顯著高于次級毛囊,在興盛期則相反,其中KAP26.1與KAP13.1、KAP15.1具有較高的同源性,特異性表達(dá)于皮膚內(nèi)根鞘[25]。在綿羊中發(fā)現(xiàn)KRTAP26-1存在7個SNPs形成的4個等位基因(A、B、C、D),含有等位基因C的綿羊平均纖維直徑較低,凈毛率和平均羊毛長度較高;含有等位基因B的綿羊平均纖維直徑較高[16]。這些研究充分說明,HSPs基因的表達(dá)和變異與細(xì)度、長度、凈毛率和卷曲率等羊毛性狀密切相關(guān)。

2.3 UHSPs

UHSPs蛋白主要包括KAP4、KAP5、KAP9和KAP17。目前對于羊KAP4、KAP5、KAP17蛋白的功能和基因表達(dá)研究非常少,KAP9蛋白的研究相對較多。研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)蒙古白絨山羊、陜北白絨山羊和奶山羊的KAP9.2基因在286位均存在T/C突變,T和C等位基因的頻率在絨山羊和奶山羊中差異顯著,C等位基因?yàn)榻q山羊的優(yōu)勢基因,揭示該等位基因可能與絨性狀有關(guān)[26]。在高產(chǎn)和低產(chǎn)絨量陜北白絨山羊皮膚組織中KAP9.2基因在羊絨生長期極顯著低于休止期,提示KAP9.2基因可能對羊絨生長具有抑制作用[27]。但張丹等[28]研究發(fā)現(xiàn)西藏絨山羊的KAP9.2基因mRNA表達(dá)水平在高海拔地區(qū)(2 500～4 500 m)顯著高于特高海拔地區(qū)(4 500～5 500 m),而高海拔地區(qū)平均產(chǎn)絨量340 g/只,高于特高海拔地區(qū)325 g/只,推測該基因可能促進(jìn)絨毛的生長,KAP9.2基因?qū)Σ煌贩N羊的羊絨生長可能有不同的作用,需要進(jìn)一步研究。

3 HOX基因

HOX基因是存在于真核生物中的一段約180 bp高度保守的DNA序列,其表達(dá)的蛋白是一類轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子,參與調(diào)解細(xì)胞分化﹑代謝、受體信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等生理機(jī)制。近年來,HOX基因在羊毛囊生長發(fā)育中的作用引起了人們的關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)在絨山羊中,HOXA4、HOXA5、HOXA6基因分別在胚胎期和興盛期毛囊的不同部位表達(dá)[29],HOXC13基因在表皮和外根鞘中表達(dá),在毛發(fā)生長初期的表達(dá)水平低于毛發(fā)生長末期,在高絨產(chǎn)量個體的表達(dá)低于低絨產(chǎn)量個體,其表達(dá)量與次級毛囊活性周期顯著相關(guān)[30-31]。在陜北白絨山羊毛乳頭細(xì)胞中過表達(dá)HOXC13基因,可以激活KRT38、KRT84基因啟動子的轉(zhuǎn)錄活性,與Foxn1存在互作關(guān)系,揭示HOXC13基因調(diào)控角蛋白表達(dá)的分子機(jī)制[32]。在西藏絨山羊中發(fā)現(xiàn)了HOXC13基因第二外顯子區(qū)域的2個SNPs位點(diǎn),均與平均纖維直徑呈極顯著相關(guān)[33]。另外,郝斐等[34]研究發(fā)現(xiàn)HOX家族中的MSX2基因能提高阿爾巴斯絨山羊真皮毛乳頭細(xì)胞增殖力。這些研究表明HOX基因在絨山羊毛囊生長發(fā)育過程中扮演著重要的角色,對羊絨產(chǎn)量和細(xì)度等性狀有重要的影響。

4 FGF5基因

FGF5蛋白在哺乳動物毛囊生長中具有重要功能,是毛發(fā)生長的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子,可誘導(dǎo)毛囊退化。大量研究發(fā)現(xiàn)FGF5基因可以抑制羊絨、羊毛生長。FGF5基因敲除綿羊的羊毛長度顯著增加[35]。FGF5基因敲除和VEGF在FGF5位點(diǎn)定點(diǎn)整合(高表達(dá)VEGF的同時降低了FGF5的表達(dá)量)的基因編輯絨山羊,其次級毛囊的數(shù)量和平均直徑均顯著增加,絨毛生長速度顯著加快,絨毛長度和產(chǎn)絨量顯著提高[36-37]。蘇博美利奴羊群體中的FGF5基因Exon 3區(qū)發(fā)現(xiàn)有DD、EE、FF、DE和EF 5種基因型,FF基因型個體在產(chǎn)毛量指標(biāo)上顯著高于DD基因型[38]。Guo等[39]在長絨和短絨西藏絨山羊間發(fā)現(xiàn)1個SNP存在很大差異,該位點(diǎn)的突變引入了導(dǎo)致早熟FGF5蛋白出現(xiàn)的起始密碼子,這種差異與絨山羊長毛表型相關(guān)。張瑞國等[40]在隴東絨山羊FGF5基因的第1外顯子區(qū)發(fā)現(xiàn)1個同義突變位點(diǎn)c.272C>T,表現(xiàn)為MM、MN和NN,攜帶等位基因N的個體的羊絨纖維直徑顯著低于不含等位基因N的個體。這些研究表明FGF5基因的表達(dá)和多態(tài)性影響絨山羊、綿羊纖維細(xì)度和長度等性狀,也為產(chǎn)絨、產(chǎn)毛品種羊的優(yōu)化改良和促進(jìn)羊絨、羊毛產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了思路。

5 ncRNA

近年來,有關(guān)ncRNA調(diào)控羊絨生長的研究越來越多。miRNA是一類長度為20～24 nt的內(nèi)源ncRNA。Yuan等[41]在絨毛的生長期、退化期和休止期中發(fā)現(xiàn)可識別的microRNA有399個,其中326個microRNA在3個生長階段均有表達(dá),但是在生長期、退化期和休止期分別有3、12和11個特殊的microRNA表達(dá)。Zhang等[42]發(fā)現(xiàn)Chi-miR-30b-5p在毛囊靜止期高表達(dá),可通過靶向CaMKIIδ抑制真皮乳突細(xì)胞增殖。付雪峰等[43]在粗絨型和細(xì)絨型西藏絨山羊皮膚組織中篩選獲得12個差異表達(dá)miRNAs,其中5個miRNAs在細(xì)絨型西藏絨山羊皮膚組織中顯著上調(diào)表達(dá),7個miRNAs顯著下調(diào)表達(dá),提示西藏絨山羊的絨細(xì)度可能受不同miRNAs調(diào)控。目前,已發(fā)現(xiàn)miR-203、miR-31、miR-196a、miR-196b、miR-195、miR-150、miR-151、Chi-miR-30b-5p等大量的miRNA與毛囊的生長周期和生長發(fā)育相關(guān),涉及Wnt、BMP等多種信號通路的調(diào)控[42,44]。

環(huán)狀RNA(CircRNA)是具有共價(jià)閉合環(huán)狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)源性ncRNA。CircRNA具有獨(dú)特的圓形結(jié)構(gòu),在大多數(shù)真核生物中非常穩(wěn)定。孫家明[45]研究發(fā)現(xiàn),與內(nèi)蒙絨山羊皮膚相比,遼寧絨山羊中有17個上調(diào)的CircRNA和15個下調(diào)的CircRNA,說明CircRNA可能參與調(diào)節(jié)羊絨細(xì)度。其中,CircRNA128的宿主基因TCHH基因外顯子上有G112A、G287T、A585T和A555G 4個SNP變異位點(diǎn),前3個位點(diǎn)的突變可以降低產(chǎn)絨量,最后1個位點(diǎn)的GG基因型突變可以顯著提高產(chǎn)絨量(4.5%)。Yin等[46]研究發(fā)現(xiàn),CircRNA-1926可通過作用于miR-148a/b-3p來增強(qiáng)細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶19的表達(dá),從而促進(jìn)絨山羊次級毛囊干細(xì)胞的分化。這些研究表明ncRNA在絨毛生長發(fā)育中起著關(guān)鍵的作用。

6 其他與絨毛品質(zhì)相關(guān)的基因

目前,如血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)、Wnt蛋白、骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic protein,BMP)、胸腺素β4(Tβ4)、褪黑素等大量蛋白及其編碼基因被發(fā)現(xiàn)與羊絨、羊毛生長發(fā)育有重要的作用。如在絨山羊皮膚中VEGF的高表達(dá)可顯著提高羊絨產(chǎn)量[47]。Wnt/p-catenin信號通路能夠加快絨山羊絨毛的生長,且與絨毛周期性再生有密切的關(guān)系[48]。在不同花紋湖羊的研究中發(fā)現(xiàn),小花紋湖羊BMP7基因相對表達(dá)量與其初級毛囊直徑、次級毛囊數(shù)呈顯著正相關(guān),而中花紋湖羊BMP7與其初級毛囊直徑、次級毛囊數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān),說明BMP7可能參與調(diào)控毛囊生長發(fā)育[49]。在絨山羊中Tβ4可以促進(jìn)次級毛囊毛乳頭細(xì)胞的增殖能力,可與KRT4互作影響絨山羊毛囊生長發(fā)育及產(chǎn)絨性能改善[50]。在研究藏西北絨山羊時發(fā)現(xiàn)褪黑激素能極顯著提高周歲羊的產(chǎn)絨量、絨毛長度和次級毛囊密度[51]。

7 結(jié) 語

隨著分子遺傳學(xué)的發(fā)展,許多影響絨毛品質(zhì)的基因不斷被發(fā)現(xiàn),研究這些基因的遺傳特征和表達(dá)機(jī)制可以為遺傳育種建立準(zhǔn)確可靠的理論基礎(chǔ)。隨著單堿基基因編輯系統(tǒng)和CRISPR/Cas9等技術(shù)的發(fā)展,通過對絨山羊和綿羊進(jìn)行基因編輯,可以調(diào)控這些基因的表達(dá)來影響表型,從而提高絨毛產(chǎn)量和絨毛品質(zhì),加速遺傳育種進(jìn)展。