奶山羊產(chǎn)奶性狀相關(guān)基因的篩選與功能研究進(jìn)展

孫軍昌

（山東省青島市即墨區(qū)畜牧獸醫(yī)局，山東 青島 266200）

我國的奶山羊品種以北方地區(qū)的關(guān)中奶山羊和嶗山奶山羊最為出名，其余地區(qū)也有多個(gè)地方奶山羊品種。這些奶山羊均為莎能奶山羊與當(dāng)?shù)厣窖蚱贩N雜交所產(chǎn)生的后代，具有產(chǎn)奶性能穩(wěn)定、產(chǎn)奶量高、奶質(zhì)優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。與牛奶相比，奶山羊所產(chǎn)鮮奶的營養(yǎng)物質(zhì)含量更為豐富，且更易于人體吸收，是一種最接近人奶的乳品。近年來，隨著分子育種技術(shù)的不斷發(fā)展，關(guān)于奶山羊產(chǎn)奶性狀相關(guān)基因的研究逐步展開，尤其是轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得對(duì)于奶山羊產(chǎn)奶性狀相關(guān)基因的研究更加便捷化。筆者對(duì)奶山羊產(chǎn)奶性狀相關(guān)基因的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，以期為奶山羊優(yōu)秀基因資源的研究、保護(hù)和利用提供理論依據(jù)。

1 與產(chǎn)奶性狀相關(guān)基因的研究進(jìn)展

1.1 β-酪蛋白基因

酪蛋白（casein）在哺乳動(dòng)物乳蛋白中含量較高，在乳蛋白中約占80%，而β-酪蛋白是所有哺乳動(dòng)物乳蛋白中含量最高的。其作用機(jī)制在近幾年的研究中已經(jīng)越來越清晰，目前的研究認(rèn)為，當(dāng)泌乳激素開始刺激β-酪蛋白基因時(shí)，β-酪蛋白基因表現(xiàn)出了很強(qiáng)的表達(dá)活性，貫穿整個(gè)乳蛋白基因表達(dá)過程，其優(yōu)勢(shì)地位非常明顯［1］。酪蛋白編碼基因也被稱為CSN基因。在牛的乳腺組織中，牛第 6 號(hào)染色體（Bos taurus autosome 6，BTA6）上的CSN1、CSN2 和 CSN3 基因分別編碼 α-、β-和 κ-酪蛋白［2］。研究人員通過等位基因檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，單倍型的CSN2B和CSN3B均能提高酪蛋白的含量和指數(shù)。當(dāng)酪蛋白含量不同時(shí)，不同的等位基因，例如 CSN3B、CSN2B、CSN2A1、CSN2I等位基因則會(huì)出現(xiàn)不同的影響。單倍型的酪蛋白對(duì)總?cè)榈鞍缀涂偫业鞍缀烤酗@著影響。然而，在其他學(xué)者的研究中則認(rèn)為總?cè)榈鞍椎暮颗c乳蛋白基因型沒有明顯關(guān)系。但所有的研究都認(rèn)為，不同的基因型對(duì)產(chǎn)奶性狀的影響作用不大。

1.2 β-乳球蛋白基因

β-乳球蛋白（β-lactoglobulin，β-LG）是鮮奶中蛋白質(zhì)的一種，約占鮮奶蛋白質(zhì)含量的7%～12%。作為哺乳動(dòng)物乳汁中一種重要的乳清蛋白，其主要是由反芻動(dòng)物乳腺上皮細(xì)胞合成和分泌的。但在嚙齒類動(dòng)物乳汁及人乳中卻缺少該種乳球蛋白［3］。編碼β-LG蛋白的基因被稱為BLG基因，牛的BLG基因被定位于BTA11上［4］。牛屬動(dòng)物中共有11種BLG變異體，其中，最主要的是A和B兩種變異體［5-6］，這兩種變異主要是由于堿基替換形成的，分別位于BLG基因的第3和第4外顯子。在以往的研究中，這兩個(gè)外顯子的變異所產(chǎn)生的不同基因型對(duì)生產(chǎn)奶酪有直接的影響，即BB型奶牛的牛乳更適合于奶酪生產(chǎn)［7-8］。當(dāng)對(duì)BLG與泌乳性狀相關(guān)性進(jìn)行研究時(shí)，不同的研究人員有著不同的研究結(jié)果。Zakizadeh等［9］研究認(rèn)為，BLG對(duì)產(chǎn)奶量有影響，對(duì)乳脂率無顯著影響。但也有一些研究發(fā)現(xiàn)，BLG對(duì)產(chǎn)奶量無顯著影響，認(rèn)為BLG等位基因B與高乳脂率相關(guān)。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，BLG基因的BB基因型可以增加酪蛋白的含量［10］。BLG等位基因A可以增加β-LG的濃度和提高β-LG在總?cè)榍宓鞍字械谋壤?，而?duì)于另外一些乳蛋白，如β-酪蛋白和αS1-酪蛋白的含量卻有降低作用［11］。

上述研究結(jié)果表明，CSN2、CSN3單倍型和BLG基因型的改變，可以直接影響乳蛋白中某些成分的含量以及組分，這在一定程度上說明，在利用現(xiàn)代生物技術(shù)后，所生產(chǎn)的乳制品中所有的乳蛋白組分將發(fā)生改變。另外，酪蛋白單倍型和BLG基因的基因型對(duì)乳蛋白組分的作用明顯，而對(duì)產(chǎn)奶性能沒有顯著影響，這樣可以確保在不影響產(chǎn)奶特性的前提下改變?nèi)榈鞍捉M分。

1.3 成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子2基因

成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子2（fibroblast growth factor 2，F(xiàn)GF2）是一種重要的調(diào)節(jié)乳腺生長(zhǎng)發(fā)育的基因，通常在乳腺中表達(dá)［12］。此外，當(dāng)哺乳動(dòng)物處于發(fā)情期或者早期妊娠階段時(shí)，其子宮內(nèi)膜中也有表達(dá)［13］。目前的研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)GF2作為一種調(diào)節(jié)因子可調(diào)控干擾素-τ（interferon-τ，IFNT）的表達(dá)，而IFNT是與產(chǎn)奶相關(guān)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的一個(gè)重要信號(hào)因子，因此，F(xiàn)GF2被認(rèn)為可能參與了哺乳動(dòng)物的產(chǎn)奶過程，并在整個(gè)產(chǎn)奶過程中發(fā)揮一定的調(diào)節(jié)作用［14］。Michael等［14］研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)GF2 突變體對(duì)一些牛群體的乳脂產(chǎn)量、乳脂率、體細(xì)胞評(píng)分（somatic cell score，SCS）以及生產(chǎn)期具有顯著的顯性和完全顯性效應(yīng)，但并非對(duì)所有群體的產(chǎn)奶相關(guān)性狀均有顯著影響；此外，研究還認(rèn)為牛的IFNT是在妊娠后第9天被孕體釋放，它還可以起到妊娠識(shí)別信號(hào)的作用。當(dāng)IFNT與位于子宮內(nèi)膜細(xì)胞上的 α-干擾素受體 （interferon-α receptor，IFNAR）結(jié)合時(shí)，可以激活酪氨酸蛋白激酶2（tyrosine protein kinase 2，TYK2）和兩面神激酶 1（janus kinase 1，JAK1），使信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活子1（signal transducers and activators of transcription 1，STAT1）和STAT2的酪氨酸殘基磷酸化，進(jìn)而激活其信號(hào)通路下游的一系列酶和基因的表達(dá)，包括STAT1［15］、骨橋蛋白（osteopontin，OPN）［16］、子宮乳蛋白（uterine milk proteins，UTMP）［17］、STAT5［18］以及生長(zhǎng)激素受體 （growth hormone receptor，GHR）［19］等，而這些基因已經(jīng)被證實(shí)與奶牛產(chǎn)奶及健康性狀相關(guān)。

1.4 STAT1和STAT5A基因

信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活子（STAT）在細(xì)胞的生長(zhǎng)中發(fā)揮著非常重要的作用，其存在于細(xì)胞質(zhì)中，是一類可以通過自身的激活作用，從而對(duì)多種細(xì)胞因子、生長(zhǎng)因子及激素加以作用的蛋白質(zhì)［20］。目前，隨著轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)的應(yīng)用，大部分的STAT基因已成功地在?；蚪M中進(jìn)行了定位。

目前的研究認(rèn)為，STAT1定位于牛第2號(hào)染色體上，其參與了細(xì)胞中與脂肪代謝及蛋白質(zhì)合成過程中相關(guān)基因的表達(dá)調(diào)控［21］。乳腺組織的發(fā)育也有STAT1基因的參與并在其中進(jìn)行表達(dá)。另外，Cobanoglu 等［21］研究發(fā)現(xiàn)，與牛奶的相關(guān)組分及產(chǎn)奶性狀相關(guān)的SNP位點(diǎn)很多都集中在該基因的某些區(qū)域。近年來，越來越多的研究結(jié)果認(rèn)為，STAT1及其相關(guān)的信號(hào)通路均參與了哺乳動(dòng)物的產(chǎn)奶過程。隨著轉(zhuǎn)錄組測(cè)序和全基因組測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，其作用機(jī)理也在不斷清晰。受促乳素的調(diào)節(jié)，使STAT1進(jìn)行表達(dá)，動(dòng)物分泌的促乳素與細(xì)胞質(zhì)中的相關(guān)受體結(jié)合，進(jìn)而激活STAT1、STAT3和STAT5蛋白，使STAT相關(guān)信號(hào)通路進(jìn)行作用，從而促使核內(nèi)與合成乳蛋白等成分的相關(guān)基因進(jìn)一步翻譯表達(dá)［22］。許多研究已經(jīng)證實(shí)，脂肪代謝以及乳蛋白的合成也受 STAT1調(diào)節(jié)［23］。Cobanoglu等［21］研究發(fā)現(xiàn)，乳脂率和乳蛋白率的變化與該基因的一個(gè)SNP位點(diǎn)有關(guān)，這些現(xiàn)象的出現(xiàn)，很有可能是通過促乳素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路完成的。

STAT5A蛋白是乳腺細(xì)胞產(chǎn)奶過程中的一種重要的乳腺因子，最初是在乳腺組織中發(fā)現(xiàn)的，其可以與乳蛋白在同一時(shí)間表達(dá)［24］，而且是IFNT和胎盤促乳素（placental lactogen，PL）信號(hào)通路的重要組成成分。近幾年的研究已經(jīng)證實(shí)，STAT5A參與了多種細(xì)胞，包括子宮和乳房上皮細(xì)胞的相關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。在影響子宮中IFNT、PL、雌激素、黃體酮和胎盤生長(zhǎng)激素的過程中，可以促使其持續(xù)表達(dá)。PL可以激活STAT5，從而形成同源二聚體，使乳腺組織中的乳蛋白基因（UTMP）和骨橋蛋白基因（OPN）進(jìn)一步翻譯表達(dá)［25-26］。研究證實(shí)，UTMP［16］和 OPN［17，27］基因?qū)Ξa(chǎn)奶性狀和健康相關(guān)性狀有非常顯著的作用。對(duì)牛STAT5A基因的SNP12195（位于外顯子8）與牛奶成分和胚胎存活率的相關(guān)性分析顯示，該SNP的等位基因G與乳蛋白率和乳脂率的明顯減少相關(guān)，還與低胚胎存活率有關(guān)［17，27］，因此，該 SNP 對(duì)后裔測(cè)定是一個(gè)具有挖掘潛力的候選位點(diǎn)。

2 與奶山羊產(chǎn)奶性狀相關(guān)的基因組學(xué)研究進(jìn)展

研究人員對(duì)Maltese奶山羊的初乳期和120 d奶山羊乳腺組織細(xì)胞進(jìn)行RNA-seq測(cè)序，通過比對(duì)不同時(shí)期乳腺組織中產(chǎn)奶相關(guān)基因的表達(dá)情況，檢測(cè)到15個(gè)表達(dá)量最高的基因。在初乳期乳腺組織中，糖酵解以及合成代謝免疫反應(yīng)的相關(guān)信號(hào)通路占據(jù)了主要部分；而在120 d奶山羊的乳腺組織中淋巴細(xì)胞活性顯著增加，表明奶山羊所產(chǎn)奶具有低聚糖特性，適宜人類食用［17］。

有學(xué)者對(duì)奶山羊在不同熱激條件下乳腺組織相關(guān)基因表達(dá)情況進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示，其乳腺組織中各細(xì)胞在脂肪合成的整個(gè)過程（ACACA和FASN）、脂肪酸的去飽和（SCD）、乳脂球的組成成分（BTN1A1、XDH 和 GLYCAM1）以及乳蛋白和乳糖合成（CSN1S1、CSN1S2、CSN3 和 LALBA）的相關(guān)基因均會(huì)出現(xiàn)下調(diào)；與此同時(shí)，組織蛋白酶（CTSS、CTSC、CTSD、CTSB、CTSZ 和 CTSL1）、泛醌蛋白酶體相關(guān)的通路 （TNFRSF1A和TNFRSF1B）和血纖維蛋白溶酶原通路（PLAUR和PLAU）的相關(guān)基因出現(xiàn)表達(dá)上調(diào)［18］。結(jié)果說明，熱激條件不僅會(huì)影響奶山羊乳中乳脂、乳蛋白以及乳糖的合成，而且還會(huì)影響乳蛋白的降解，從而影響奶品質(zhì)。

近年來，有關(guān)奶山羊產(chǎn)奶性狀方面的研究逐漸集中在另外一個(gè)熱點(diǎn)——miRNA技術(shù)。Li等研究發(fā)現(xiàn)，利用miRNA挖掘技術(shù)，在干奶期和產(chǎn)奶高峰期的奶山羊乳腺組織中，共鑒定得到346個(gè)物種間的保守miRNA以及95個(gè)新的miRNA［19］。國內(nèi)學(xué)者在嶗山奶山羊產(chǎn)奶高峰期的乳腺組織中檢測(cè)到131個(gè)新的miRNA。Mobychon等采用3種不同的方法對(duì)奶山羊乳腺中表達(dá)的miRNA進(jìn)行鑒定，共鑒定得到924個(gè)miRNA，其中，有263個(gè)位于基因內(nèi)；這些miRNA中有114個(gè)在山羊和牛中是保守的，并處于與產(chǎn)奶性狀相關(guān)的QTL中［22］。在目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的miRNA中，miR-27a、miR-24、miR-17-5p 和 miR-148a 均與脂肪合成相關(guān)［16，24-25］。研究發(fā)現(xiàn)，miR-27a的表達(dá)在山羊乳腺組織中的不同泌乳周期出現(xiàn)不同的表達(dá)量。當(dāng)miR-27a過表達(dá)時(shí)，會(huì)促使甘油三酯的積累降低，同時(shí)，飽和脂肪酸與非脂肪酸的比例也會(huì)出現(xiàn)降低。

研究表明，過氧化物酶體增殖物激活受體γ（peroxisome proliferator-activated receptor γ，PPARγ）可以調(diào)控山羊乳腺上皮細(xì)胞中的脂質(zhì)代謝［23］，而 miR-27a的表達(dá)同樣也能夠降低 PPARγ的表達(dá)水平。miR-24在產(chǎn)奶高峰期表達(dá)量最高，在干奶期表達(dá)最低［24］。研究人員對(duì)干奶期和泌乳早期的山羊乳腺組織中的基因表達(dá)情況進(jìn)行了分析， 發(fā)現(xiàn) miR-17-5p、miR-148a、PPARGC1A 和PPARA在這兩個(gè)時(shí)期均呈現(xiàn)高表達(dá)狀態(tài)［25］。在乳腺上皮細(xì)胞中開展的進(jìn)一步研究表明，PPARGC1A和PPARA分別受到miR-148a和miR-17-5p的調(diào)節(jié)［23］。研究發(fā)現(xiàn)，過表達(dá)miR-148a和miR-17-5p能夠促進(jìn)甘油三酯的合成，且抑制miR-148a和miR-17-5p的表達(dá)能夠抑制甘油三酯的合成［25］。有學(xué)者對(duì)采自瑞士的奶山羊樣品采用SNP芯片進(jìn)行特異性的選擇信號(hào)分析，發(fā)現(xiàn) PITX2、ABCG2、SPP1和 GHRH等與產(chǎn)奶性狀相關(guān)的基因選擇出現(xiàn)了非常強(qiáng)的相關(guān)性［26］。

3 奶山羊產(chǎn)奶性狀研究的前景

目前，關(guān)于奶山羊產(chǎn)奶性狀相關(guān)基因的研究越來越多，這其中也包括了與產(chǎn)奶量、乳脂率以及乳蛋白率等多個(gè)功能的相關(guān)基因。在研究過程中，許多學(xué)者仍然延續(xù)采用數(shù)量性狀相關(guān)的研究方法，認(rèn)為其不僅受微效多基因、QTL等控制，更與主效及主控基因的密切調(diào)控相關(guān)，因此，在開展分子育種技術(shù)的相關(guān)研究時(shí)，首先應(yīng)明確主效及主控基因與相關(guān)產(chǎn)奶性狀的連鎖關(guān)系。隨著生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)及全基因組測(cè)序技術(shù)的應(yīng)用，使分子育種技術(shù)得到了質(zhì)的飛越，許多不曾被關(guān)注的基因功能也越來越多地被挖掘出來，這些技術(shù)的廣泛應(yīng)用成為奶山羊育種發(fā)展的必然趨勢(shì)。

現(xiàn)階段，牛奶仍然是大眾消費(fèi)的主要奶產(chǎn)品，因此，關(guān)于家畜產(chǎn)奶性狀相關(guān)基因的研究也多集中在奶牛方面。隨著人們對(duì)羊奶營養(yǎng)水平認(rèn)識(shí)的不斷深入，羊奶也正逐漸被廣大消費(fèi)群體接受。奶山羊分子育種技術(shù)的發(fā)展使得奶山羊的產(chǎn)奶性能得到進(jìn)一步提升。隨著二代測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，對(duì)遺傳背景相似的奶山羊的轉(zhuǎn)錄組測(cè)序與miRNA測(cè)序工作正在不斷推進(jìn)。基因編輯技術(shù)的發(fā)展也為奶山羊產(chǎn)奶性狀特定基因位點(diǎn)的編輯提供了技術(shù)手段，在挖掘和保護(hù)地方奶山羊優(yōu)秀基因資源的同時(shí)，也為地方奶山羊的畜牧生產(chǎn)和科學(xué)研究提供了重要的技術(shù)支撐。