全基因組關(guān)聯(lián)分析(GWAS)技術(shù)在家犬中的應(yīng)用研究進展

萬九生 李 靜 陳 超 鄧衛(wèi)東 岳 銳 徐 虎 黎立光

全基因組關(guān)聯(lián)分析(GWAS)是一種在關(guān)聯(lián)分析的基礎(chǔ)上利用群體的連鎖不平衡，對全基因組范圍內(nèi)的遺傳標記進行檢測，以定位影響表型性狀的遺傳因素的分析方法。隨著二代基因組測序技術(shù)不斷發(fā)展更新，測序費用逐步降低，為畜禽高密度芯片的開發(fā)以及全基因組重測序的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

一、全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS）是目前深度發(fā)掘自然群體物種復(fù)雜性狀相關(guān)功能基因的高效手段

全基因組關(guān)聯(lián)分析(GWAS)是最早研究復(fù)雜性狀和疾病遺傳變異的有效方法，其核心是研究分子變異和目標表型性狀之間的關(guān)聯(lián)。尤其是近幾年來隨著高通量測序和高分辨的代謝檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，以及多種生物信息學技術(shù)和統(tǒng)計學方法發(fā)展，這些為復(fù)雜性狀基因變異的精細定位提供基礎(chǔ)。2005 年，Science雜志首次報道了年齡相關(guān)性視網(wǎng)膜黃斑變性GWAS結(jié)果,在醫(yī)學界和遺傳學界引起了極大的轟動，此后一系列GWAS 陸續(xù)展開。2006 年，波士頓大學醫(yī)學院聯(lián)合哈佛大學等多個研究機構(gòu)報道了基于佛明翰心臟研究樣本關(guān)于肥胖的GWAS 結(jié)果，已經(jīng)陸續(xù)報道了關(guān)于人類身高、體重、血壓等主要性狀,以及視網(wǎng)膜黃斑、乳腺癌、前列腺癌、白血病、冠心病、肥胖癥、糖尿病、精神分裂癥、風濕性關(guān)節(jié)炎等幾十種威脅人類健康的常見疾病的GWAS結(jié)果，累計發(fā)表了近萬篇論文，確定了一系列疾病發(fā)病的致病基因、相關(guān)基因、易感區(qū)域和SNP 變異。此外，復(fù)雜疾病GWAS方法學(如研究設(shè)計、統(tǒng)計分析、結(jié)果的解釋)也取得了極大的進步，因此稱為“GWAS第一次浪潮”。

同時，動、植物中重要的經(jīng)濟性狀、農(nóng)藝性狀關(guān)聯(lián)分析也已經(jīng)大量開展。利用GWAS 開展對豬、牛、羊、雞等動物經(jīng)濟性狀的研究，集中在繁殖性能、生長發(fā)育、免疫力等方面。例如：豬生長性狀的GWAS 分析發(fā)現(xiàn)，在對杜洛克豬進行采食行為（日采食量、日采食次數(shù)、日采食總時間）的全基因組關(guān)聯(lián)分析中，鑒定到SSC14 上的MW4 基因與日采食次數(shù)具有較強的關(guān)聯(lián)，同時發(fā)現(xiàn)促進多肽分泌等基因與采食行為極顯著相關(guān)。繁殖性狀GWAS的研究發(fā)現(xiàn)。趙科偉等人以白色杜洛克X二花臉的F2 資源家系群體為研究對象，開展了GWAS 研究，檢測到與了右側(cè)和左側(cè)附睪重、左側(cè)睪丸重、精子密度以及總精子數(shù)等性狀顯著相關(guān)的5 個SNP 位點。第一篇關(guān)于雞的GWAS 的研究報道是利用兩個F2 群體的全基因組30000 個SNP，分別發(fā)現(xiàn)15 個和24 個與腹脂性狀顯著相關(guān)的標記。

二、全基因組關(guān)聯(lián)分析(GWAS)技術(shù)在家犬中的應(yīng)用

傳統(tǒng)遺傳育種中，犬的品種改良和行為性狀選育工作主要是觀察后代的表型，通過表型差異進行選育。自從分子生物技術(shù)手段在動物遺傳育種中的研究和實踐中得到廣泛使用以來，已在很多經(jīng)濟動物上發(fā)現(xiàn)了決定其重要經(jīng)濟性狀的主效基因和連鎖分子標記，極大地促進了動物育種工作的開展。隨著犬基因組測序完成和大量分子標記和基因的定位完成，以分子標記輔助選擇技術(shù)為解決犬形態(tài)性狀的遺傳改良提供了新的方向和手段。

基于全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS）技術(shù)在闡明自然群體物種復(fù)雜性狀形成的強大優(yōu)勢，借助機器學習算法開展分析處理，結(jié)合家犬測序大數(shù)據(jù)，通過犬的表型數(shù)據(jù)進行全基因組關(guān)聯(lián)分析，挖掘與犬生長發(fā)育、體型外貌、行為性狀相關(guān)等的候選基因，獲得調(diào)控重要性狀分子標記，進而以分子標記輔助選擇技術(shù)為犬進行育種改良。

Parker 等人于2009 在Science 雜志上報道，通過多個具有矮腿性狀和不具有矮腿性狀的家犬品系的基因組多態(tài)位點關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)了影響身體大小的附效基因——纖維原細胞生長因子4（FGF4）反轉(zhuǎn)座基因，發(fā)現(xiàn)所有家犬矮腿品系的18 號染色體上均有一個FGF4 反轉(zhuǎn)座基因的插入，而非矮腿品系家犬均沒有這段插入。通過全基因組關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)纖維細胞生長因子4（FGF4）基因在軟骨細胞中的特異表達決定了短肢性狀及骨頭的長寬比例，該基因的表達與軟骨發(fā)育不良密切相關(guān)，軟骨發(fā)育不良是一種腿短的表型，可定義至少19 個犬種，包括臘腸犬、柯基犬和貝塞獵犬（如圖1）。

圖1

Cadieu 等人通過對來自80 個不同品種的超過1000 頭家犬進行全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS），鑒定到了分別與皮毛的生長模式、毛長和卷曲3 個性狀相關(guān)的3 個基因，即RSPO2、FGF5 和KRT71。僅僅考慮這3 個基因的基因型，便可以解釋80%家犬中皮毛的生長模式、毛長和卷曲的性狀差異。在家犬中許多看起來差異很大的被毛表型，均是由這3 個基因組的相應(yīng)基因型的不同組合所導致的（如圖2）。RSPO2 基因3’端167 個堿基的缺失產(chǎn)生了犬的硬卷毛及長眉、胡須等性狀，F(xiàn)GF5 基因單堿基突變造成第95 位氨基酸由半胱氨酸變成苯丙氨酸，使犬的短毛或硬卷毛性狀被長毛性狀所替代，KRT71 基因第151位氨基酸的異義突變直接影響了犬被毛是卷毛還是直毛。

圖2

隨著全基因組測序技術(shù)的不斷發(fā)展，利用全基因組測序揭示選擇和變異下的基因組區(qū)域?qū)π螒B(tài)的影響已經(jīng)非常成熟。Jocelyn 等人分析了722頭犬的全基因組序列(WGS)，通過選擇性掃描分析和全基因組關(guān)聯(lián)分析(GWAS)研究，結(jié)果確定了強影響的突變與16 種表型相關(guān)。其中影響品種犬身高、體重差異的相關(guān)基因有ESR1、IGF1、LCORL、STC2、GHR、IRS4 等。以及作為多基因特征的壽命具有顯著相關(guān)性：LCORL、HMGA2、IGF1 和CFA26基因座。同時證實了與先前報道一致的家犬體重與壽命之間的相關(guān)性：大型品種犬(平均體重>30 kg)平均壽命較短(約8～10 年)，而小微型和寵物犬品種(平均體重<10kg)，其壽命可到18 歲及以上。

三、借助全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS）技術(shù)挖掘警用性能性狀相關(guān)的候選基因輔助改良警犬育種

借助全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS）技術(shù)應(yīng)用在警犬領(lǐng)域，結(jié)合重要警用性狀的表型數(shù)據(jù)進行全基因組關(guān)聯(lián)分析，進行全面深入的數(shù)據(jù)探究，挖掘與警用性能性狀相關(guān)的候選基因。為全面揭示警犬優(yōu)良警用性能的遺傳機理奠定了基礎(chǔ)。尋找分子標記，確定的相關(guān)分子標記可以為下一步深入開展警犬群體遺傳研究提供研究基礎(chǔ)，提高警犬育種的效率，提升警犬品質(zhì)。提升警犬的裝備配發(fā)數(shù)量與質(zhì)量，參與反恐維穩(wěn)、處置突發(fā)事件、參與重大活動的安全防范等公安實戰(zhàn)業(yè)務(wù)，有效提高警犬的戰(zhàn)斗力。