多組學(xué)生物信息學(xué)分析在家畜脂肪沉積研究中的應(yīng)用研究進(jìn)展

李 睿，蔡 瑞，龐衛(wèi)軍

（西北農(nóng)林科技大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院動(dòng)物脂肪沉積與肌肉發(fā)育實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100）

家畜脂肪主要以皮下脂肪的形式存在，還有部分脂肪以肌內(nèi)脂肪的形式存在，這類脂肪含量少，但與肉質(zhì)多汁性、嫩度和風(fēng)味密切相關(guān)。對(duì)家畜脂肪沉積機(jī)制進(jìn)行研究能為改善家畜肉品質(zhì)提供理論支持，然而家畜脂肪沉積是一個(gè)復(fù)雜的生物學(xué)過程，受遺傳因素和營(yíng)養(yǎng)因素共同調(diào)控，多種類型的細(xì)胞也在這一過程中發(fā)揮著不同的作用。還有一些研究結(jié)果表明，家畜肌內(nèi)脂肪沉積過程與肌纖維和脂肪細(xì)胞的發(fā)育機(jī)制有關(guān)。

生物信息學(xué)能為這類復(fù)雜生物學(xué)過程研究提供有效的分析方法。一方面，利用生物信息學(xué)能分析和整合一個(gè)生物過程中多種因素的作用關(guān)系，將各種因素進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)建模，系統(tǒng)地研究生物過程，有利于對(duì)復(fù)雜的生物過程做出更全面的解釋。另一方面，過去幾十年來已經(jīng)積累了大量的生物數(shù)據(jù)和研究結(jié)論，在如今的后基因組時(shí)代，基于統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律挖掘大量生物數(shù)據(jù)中的關(guān)系，再結(jié)合實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行驗(yàn)證，是生物機(jī)制研究的一種新思路。本文從基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組和多組學(xué)聯(lián)合分析4個(gè)角度對(duì)生物信息學(xué)分析（以下簡(jiǎn)稱生信分析）方法在家畜脂肪沉積研究中的應(yīng)用進(jìn)行綜述，同時(shí)介紹一些其他生物學(xué)研究中應(yīng)用的新興生信分析方法，旨在對(duì)家畜脂肪沉積相關(guān)的研究提供參考和思路。

1 基因組生信分析挖掘家畜脂肪沉積候選基因

基因可以控制生物的性狀，家畜脂肪沉積規(guī)律也受基因控制，挖掘脂肪沉積相關(guān)基因?qū)τ诩倚蟮倪z傳改良十分重要。與家畜脂肪沉積相關(guān)的主效基因或基因區(qū)域可作為分子標(biāo)記為選種和遺傳改良提供參考，對(duì)脂肪沉積相關(guān)基因的作用機(jī)制進(jìn)行研究，還能解析家畜脂肪沉積的分子機(jī)制。在第二代基因測(cè)序技術(shù)產(chǎn)生以后，隨著大量研究數(shù)據(jù)的積累以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件分析龐大的堿基序列中蘊(yùn)含的生物信息，是動(dòng)物功能基因挖掘的主要策略，并出現(xiàn)了基于生物信息學(xué)挖掘家畜脂肪沉積相關(guān)基因的方法。

1.1 全基因組關(guān)聯(lián)分析法挖掘家畜脂肪沉積相關(guān)基因全基因組關(guān)聯(lián)分析（Genome Wide Association Study，GWAS）可定位與家畜復(fù)雜性狀相關(guān)聯(lián)的基因組區(qū)域，GWAS 的基本流程為：對(duì)家畜群體在全基因組范圍內(nèi)的遺傳變異標(biāo)記多態(tài)性進(jìn)行檢測(cè)以獲得基因型，再將基因型與表型結(jié)合進(jìn)行群體水平的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，從而篩選出最有可能影響目標(biāo)性狀的遺傳變異標(biāo)記或基因組區(qū)域，最后利用數(shù)據(jù)庫對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行注釋，挖掘與目標(biāo)性狀相關(guān)的基因。近年來一些學(xué)者運(yùn)用GWAS 挖掘與家畜脂肪沉積相關(guān)的候選基因或遺傳變異位點(diǎn)。

Martins 等對(duì)Nellore 牛進(jìn)行背部和臀部的脂肪厚度測(cè)定，用SNP 芯片檢測(cè)基因型數(shù)據(jù)，進(jìn)行GWAS分析后，最終通過Ensembl 數(shù)據(jù)庫對(duì)候選基因組區(qū)域進(jìn)行注釋，鑒定出了影響牛背部和臀部脂肪沉積的候選基因，還利用STRING 數(shù)據(jù)庫分析了這些基因的相互作用。Zhang 等通過Single-step GWAS 在杜洛克豬中找到一些顯著提高肌內(nèi)脂肪含量但不影響背膘厚，甚至與背膘厚呈負(fù)相關(guān)的候選SNP，這些SNP 可能通過組合作用影響表型。因此，利用GWAS 挖掘家畜脂肪沉積這一復(fù)雜生物學(xué)過程的相關(guān)基因是一種可行的方法。雖然使用高密度的SNP 芯片或采用全基因組重測(cè)序檢測(cè)SNP，可以提高定位的準(zhǔn)確性，但這種方法存在的問題是：對(duì)候選基因區(qū)間進(jìn)行基因功能注釋后，仍需要進(jìn)行文獻(xiàn)查證、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等方法，才能最終確定候選基因或遺傳變異位點(diǎn)的功能。此外，由于GWAS 需要大量樣本的基因型數(shù)據(jù)和表型數(shù)據(jù)，而基因分型費(fèi)用較高、肌內(nèi)脂肪含量等表型不易測(cè)量，這使得GWAS 在應(yīng)用時(shí)成本較高。

1.2 選擇信號(hào)法挖掘家畜脂肪沉積相關(guān)基因 選擇信號(hào)法挖掘候選基因的基本流程是：利用全基因組測(cè)序技術(shù)或基因芯片，檢測(cè)家畜基因組上的SNP 以估計(jì)等位基因頻率，基于位點(diǎn)頻譜、連鎖不平衡、群體分化等方法檢測(cè)基因組上受到選擇的區(qū)域（選擇信號(hào)），最后利用數(shù)據(jù)庫對(duì)這些基因組區(qū)域進(jìn)行注釋，挖掘出與目標(biāo)性狀相關(guān)的候選基因或遺傳變異。

近年來，選擇信號(hào)法被廣泛地應(yīng)用于家畜表型多樣性和重要經(jīng)濟(jì)性狀相關(guān)候選基因的鑒定，也有一些學(xué)者利用這種方法挖掘家畜脂肪沉積相關(guān)基因。例如，徐忠采用基于連鎖不平衡的單倍型ROH 選擇信號(hào)和基于群體分化的PLS 選擇信號(hào)，篩選到金華豬含有等與肌內(nèi)脂肪含量相關(guān)的基 因。Ahbara 等聯(lián)合采用Fst、hapFLK 和Rsb 這3 種選擇信號(hào)檢測(cè)法篩選到一些與埃塞俄比亞本土綿羊脂肪沉積有關(guān)的候選基因，如。

選擇信號(hào)法在運(yùn)用時(shí)只需利用全基因組重測(cè)序或基因芯片，收集研究對(duì)象的基因分型數(shù)據(jù)，不需要獲得表型觀測(cè)值就能挖掘出受到高強(qiáng)度選擇的基因，為挖掘脂肪沉積相關(guān)基因的研究提供了便利。但缺點(diǎn)是不同選擇信號(hào)檢測(cè)方法的適用性不同，種群歷史演變過程中在基因組上的印記會(huì)造成選擇信號(hào)的假陽性，因此在應(yīng)用時(shí)需要綜合群體內(nèi)和群體間選擇信號(hào)檢測(cè)、多種選擇信號(hào)檢測(cè)結(jié)果相互驗(yàn)證、值校正等方法，才能保證該方法的準(zhǔn)確性。此外，隨著來生物數(shù)據(jù)庫的不斷完善，可以利用的樣本基因組數(shù)據(jù)越來越多，也有利于提高選擇信號(hào)法的準(zhǔn)確性。

上述兩種方法是基因組層面揭示復(fù)雜性狀遺傳機(jī)制的主要策略，并且目前豬、牛、羊等家畜的參考基因組已經(jīng)構(gòu)建完成，為采用這類方法的研究奠定基礎(chǔ)。表1 總結(jié)了近年來這兩種方法在家畜脂肪沉積研究中的應(yīng)用情況。綜上所述，基因組序列差異在一定程度上解釋了動(dòng)物個(gè)體間的表型差異，而不同的家畜群體或品種在皮下脂肪含量、肌內(nèi)脂肪含量等脂肪沉積相關(guān)性狀上存在差異，因此利用有表型差異的個(gè)體間或群體間的基因組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析能夠在基因組水平挖掘與家畜脂肪沉積相關(guān)的基因或遺傳變異。但這類方法主要基于統(tǒng)計(jì)分析，建立性狀與遺傳變異位點(diǎn)間的聯(lián)系，尤其是運(yùn)用GWAS 時(shí)，需要大量的樣本才能保證分析的準(zhǔn)確性。此外，在家畜脂肪沉積過程中，基因表達(dá)具有時(shí)空特異性，飼養(yǎng)條件的改變也會(huì)對(duì)基因表達(dá)產(chǎn)生影響。因此僅從基因組水平進(jìn)行家畜脂肪沉積研究是不充分的，有必要在轉(zhuǎn)錄組水平上，運(yùn)用生信分析的方法探究家畜脂肪沉積機(jī)制。

表1 近年來全基因組關(guān)聯(lián)分析和選擇信號(hào)法在家畜脂肪沉積研究中的應(yīng)用

2 轉(zhuǎn)錄組生信分析探究家畜脂肪沉積機(jī)制

轉(zhuǎn)錄組是指特定物種特定組織或細(xì)胞轉(zhuǎn)錄的所有RNA 集合，比較不同組織及同一組織不同時(shí)期RNA 表達(dá)量，可反映生物個(gè)體在某一特定生長(zhǎng)發(fā)育階段的特定細(xì)胞、組織或器官所有基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)水平，揭示基因表達(dá)的時(shí)空動(dòng)態(tài)性，分離與性狀相關(guān)的基因。在轉(zhuǎn)錄組水平上通過生信分析方法對(duì)家畜脂肪沉積相關(guān)基因表達(dá)調(diào)控規(guī)律進(jìn)行研究，能在基因組水平研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步探究家畜脂肪沉積的相關(guān)機(jī)制。近年來發(fā)展出了單細(xì)胞測(cè)序分析、空間轉(zhuǎn)錄組測(cè)序分析，以及三項(xiàng)被《Nature》評(píng)選為2021 年值得特別關(guān)注的生信分析技術(shù)（High-throughput Chromosome Conformation Capture，Hi-C；Cleavage Under Targets and Tagmentation，CUT&Tag；Simultaneous High-throughput ATAC and RNA Expression with Sequencing,SHARE-seq），這些生信分析技術(shù)為轉(zhuǎn)錄組水平探究成脂相關(guān)細(xì)胞的類型、功能、分化機(jī)制，提供了新的技術(shù)支持或研究思路。

2.1 單細(xì)胞測(cè)序解析家畜脂肪細(xì)胞的異質(zhì)性 針對(duì)家畜脂肪沉積這類復(fù)雜生物學(xué)過程的機(jī)制，通常需要在活體、組織和細(xì)胞水平上進(jìn)行研究。在細(xì)胞水平上，即使同一個(gè)體同種類型的細(xì)胞在相同環(huán)境下，也可能出現(xiàn)基因和蛋白質(zhì)表達(dá)水平的差異，從而導(dǎo)致細(xì)胞的異質(zhì)性。單細(xì)胞RNA 測(cè)序（scRNA-seq）分析相較于傳統(tǒng)的RNA-seq 分析能獲取和解析動(dòng)物組織中單個(gè)細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組信息，避免了傳統(tǒng)RNA-seq 只能獲得組織中多細(xì)胞水平上均一化后的RNA 表達(dá)信息的問題，能夠反映同一塊脂肪組織中不同細(xì)胞的基因表達(dá)狀況，從而為解決脂肪細(xì)胞具有異質(zhì)性的問題提供了有效途徑，這對(duì)于闡明不同亞細(xì)胞群在家畜脂肪沉積過程中的作用至關(guān)重要。相較于單細(xì)胞測(cè)序，單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組測(cè)序（snRNA-seq），具有一些特點(diǎn)：能夠使用凍存樣品分析，能避免解離細(xì)胞時(shí)誘導(dǎo)基因表達(dá)，但不能檢測(cè)細(xì)胞質(zhì)的基因表達(dá)量。在解析家畜脂肪細(xì)胞異質(zhì)性的研究中，需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、樣品?zhǔn)備情況等，選擇合理的技術(shù)方案，也可以考慮將scRNA-seq 與snRNA-seq 結(jié)合，獲得更全面的研究數(shù)據(jù)。

Li 等通過scRNA-seq 分析確定了和基因?yàn)殡u肌內(nèi)脂肪細(xì)胞的生物標(biāo)志物；Qiu 等聯(lián)合運(yùn)用scRNA-seq 分析與蛋白質(zhì)組學(xué)關(guān)聯(lián)分析技術(shù)研究了瘦肉型豬和肥胖型豬的細(xì)胞譜系，發(fā)現(xiàn)Ca的調(diào)節(jié)在2 種來源的肌細(xì)胞之間有顯著差異，肌細(xì)胞比例較高和分化能力較強(qiáng)是瘦肉型豬肌源性分化能力較高、肌內(nèi)脂肪沉積含量較低的主要原因。張愨利用scRNA-seq 鑒定了豬皮下和肌內(nèi)前體脂肪細(xì)胞的亞群，并發(fā)現(xiàn)兩處組織都含有一種特異表達(dá)基因的多能干細(xì)胞，其可能來源于豬皮下脂肪組織的循環(huán)祖細(xì)胞，可浸入至骨骼肌內(nèi)參與肌內(nèi)脂肪的形成。目前運(yùn)用單細(xì)胞測(cè)序分析進(jìn)行的家畜脂肪沉積相關(guān)研究較少，在人和鼠的脂肪細(xì)胞研究上較多，這些研究能為單細(xì)胞測(cè)序在家畜脂肪沉積研究中的應(yīng)用提供借鑒。如Vijay 等對(duì)肥胖人體的組織標(biāo)本進(jìn)行scRNA-seq 分析，發(fā)現(xiàn)內(nèi)臟和皮下的脂肪組織間存在細(xì)胞組成差異，內(nèi)臟脂肪組織含有一類特殊的脂肪細(xì)胞祖細(xì)胞；Sun 等在小鼠和人中使用snRNA-seq 分析來探究脂肪細(xì)胞的異質(zhì)性，并在小鼠體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了一種在高溫下豐度增加的罕見脂肪細(xì)胞亞群。

上述研究表明，單細(xì)胞測(cè)序分析能夠解決人及動(dòng)物脂肪細(xì)胞具有異質(zhì)性的問題，有助于明確家畜脂肪和肌肉中不同細(xì)胞的類型、功能和相互作用。目前，還未見利用單細(xì)胞測(cè)序在不同豬品種，或牛、羊等其他家畜上進(jìn)行脂肪沉積相關(guān)研究的報(bào)道。因此，利用單細(xì)胞測(cè)序分析對(duì)皮下脂肪或肌內(nèi)脂肪含量有顯著差異的品種或物種的脂肪細(xì)胞類型進(jìn)行對(duì)比研究，有可能在細(xì)胞水平上進(jìn)一步揭示家畜脂肪沉積機(jī)制。此外，傳統(tǒng)的單細(xì)胞測(cè)序需要先通過流式細(xì)胞分離技術(shù)分離出單個(gè)細(xì)胞再單獨(dú)建測(cè)序文庫，通量很低難以廣泛運(yùn)用，而近年來基于標(biāo)簽（Barcode）的單細(xì)胞鑒別，可以通過一次建庫測(cè)得數(shù)百上千個(gè)單細(xì)胞的信息，解決了檢測(cè)效率低的問題。但細(xì)胞在組織中是呈三維排布的，細(xì)胞間也存在相互通訊的機(jī)制，如何保留空間信息以及整合細(xì)胞間相互作用信息，是單細(xì)胞測(cè)序分析所面臨的挑戰(zhàn)。

2.2 空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)揭示家畜脂肪沉積相關(guān)細(xì)胞相互作用的應(yīng)用前景 單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)雖然能夠解決細(xì)胞異質(zhì)性問題，獲得單個(gè)細(xì)胞的基因表達(dá)信息，卻由于需要將樣本制備成細(xì)胞懸液導(dǎo)致細(xì)胞間的空間位置信息和相互作用信息丟失，而近年來空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)（Spatial Transcriptomics）的應(yīng)用推動(dòng)了不同空間位置的單細(xì)胞基因表達(dá)調(diào)控的研究，這為深入解析含多種細(xì)胞類型組織的生長(zhǎng)發(fā)育機(jī)制和細(xì)胞間相互作用提供了一種新的解決方案。

Moncada 等聯(lián)合運(yùn)用空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)和單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)，對(duì)胰腺腫瘤組織進(jìn)行分析，不僅對(duì)組織中不同細(xì)胞類型進(jìn)行了識(shí)別和定位，還利用其基因表達(dá)信息將細(xì)胞間的狀態(tài)關(guān)系進(jìn)行了細(xì)分，根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果預(yù)測(cè)癌細(xì)胞狀態(tài)和成纖維細(xì)胞亞型之間存在相互作用，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；Maynard 等對(duì)人腦組織也采取空間轉(zhuǎn)錄組聯(lián)合單細(xì)胞測(cè)序方案，并將分析結(jié)果與已知基因關(guān)聯(lián)，進(jìn)而解釋了不同腦組織與其功能的聯(lián)系。這些研究表明，利用空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)和單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)聯(lián)合分析可以探究同一組織中不同細(xì)胞在功能上的聯(lián)系，揭示復(fù)雜組織的細(xì)胞間相互作用。目前，利用這種分析方法研究家畜皮下脂肪沉積或肌內(nèi)脂肪沉積機(jī)制尚未見報(bào)道，但B?ckdahl 等運(yùn)用空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)和單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)聯(lián)合分析的方案，發(fā)現(xiàn)人類白色脂肪組織的細(xì)胞可分為18 種類型，這些細(xì)胞的空間分布不同，并對(duì)其中的3 種細(xì)胞進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)它們各自的基因表達(dá)譜和對(duì)胰島素的敏感性不同，這項(xiàng)研究為聯(lián)合利用空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)和單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)探究家畜脂肪組織的細(xì)胞異質(zhì)性和細(xì)胞間相互作用提供了參考依據(jù)。目前國內(nèi)公司能夠提供動(dòng)物肌肉組織的空間轉(zhuǎn)錄組測(cè)序方案，這為進(jìn)一步研究家畜肌內(nèi)脂肪沉積機(jī)制中肌纖維細(xì)胞、肌衛(wèi)星細(xì)胞及脂肪細(xì)胞間的相互作用提供了技術(shù)支持。

因此利用空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)和單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)聯(lián)合分析的生信分析方法，對(duì)家畜皮下脂肪組織、肌肉組織進(jìn)行研究，同時(shí)保留這些組織中所有細(xì)胞的空間位置信息和基因表達(dá)信息，不僅能夠彌補(bǔ)單細(xì)胞測(cè)序的技術(shù)缺陷，還有可能進(jìn)一步揭示不同細(xì)胞間的相互作用，完善家畜脂肪組織和肌肉組織中，不同類型細(xì)胞在脂肪沉積過程中發(fā)揮作用的機(jī)制，有助于解析家畜脂肪沉積規(guī)律，實(shí)現(xiàn)提高肌內(nèi)脂肪含量改善肉質(zhì)的家畜遺傳改良。

2.3 生信分析方法挖掘家畜脂肪沉積相關(guān)轉(zhuǎn)錄調(diào)控元件生物的性狀并不完全是由DNA 序列決定，在轉(zhuǎn)錄水平還有一些調(diào)控因子會(huì)對(duì)基因表達(dá)產(chǎn)生影響，使細(xì)胞中的基因表達(dá)在時(shí)間和空間上處于有序狀態(tài)，并對(duì)環(huán)境條件的變化作出反應(yīng)。而多種生信分析方法可以篩選出與目標(biāo)基因表達(dá)相關(guān)的調(diào)控因子或轉(zhuǎn)錄調(diào)控元件，為實(shí)驗(yàn)研究家畜脂肪沉積的在轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控機(jī)制提供指導(dǎo)方向。

表達(dá)數(shù)量性狀基因座（Expression Quantitative Trait Loci，eQTL）分析是研究遺傳突變與基因表達(dá)量之間的相關(guān)性，從而定位染色體上一些能特定調(diào)控mRNA和蛋白質(zhì)表達(dá)水平區(qū)域的生信分析方法。Cesar 等通過eQTL 分析篩選與牛肌內(nèi)脂肪含量性狀相關(guān)的候選基因調(diào)控區(qū)和轉(zhuǎn)錄因子。Criado-Mesas 等通過eQTL分析發(fā)現(xiàn)1 個(gè)基因的SNP 位點(diǎn)對(duì)該基因表達(dá)調(diào)節(jié)起重要作用，從而影響豬的肌肉生長(zhǎng)和脂肪沉積。這些eQTL 分析只是將基因調(diào)控區(qū)或轉(zhuǎn)錄因子與基因表達(dá)情況做相關(guān)分析，尋找有可能調(diào)控目標(biāo)基因的候選基因區(qū)域或調(diào)控因子。然而基因的表達(dá)還與染色質(zhì)開放性、轉(zhuǎn)錄因子在DNA 序列上的結(jié)合等因素密切相關(guān)，因此需要更多的技術(shù)和生信分析方法來篩選家畜脂肪沉積相關(guān)調(diào)控因子。近年來出現(xiàn)了通過ATAC-seq、CHIP-seq 和RNA-seq 聯(lián)合分析，證明基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)的差異是由轉(zhuǎn)錄起始的某些調(diào)控因子所引起的方案，并有研究者利用該方案探究了一些調(diào)控因子在豬脂肪沉積中所發(fā)揮的作用，如候曄利用miRNA-seq 獲得豬成肌細(xì)胞誘導(dǎo)轉(zhuǎn)分化為脂肪細(xì)胞過程中差異表達(dá)的microRNA 數(shù)據(jù)，組蛋白H3K4me3 和H3K27ac 進(jìn)行ChIP-seq 鑒定出的啟動(dòng)子和增強(qiáng)子數(shù)據(jù)，以及ATAC-seq 鑒定的染色質(zhì)開放區(qū)域數(shù)據(jù)，進(jìn)行聯(lián)合分析，驗(yàn)證和分析了一些豬骨骼肌和脂肪組織中差異表達(dá)的microRNA 在成肌細(xì)胞轉(zhuǎn)分化為脂肪細(xì)胞過程中的調(diào)控機(jī)理。近年來人們也逐漸意識(shí)到基因組三維構(gòu)象對(duì)基因表達(dá)調(diào)控的影響，而這一重大發(fā)現(xiàn)離不開Hi-C 技術(shù)的貢獻(xiàn)，這是一種將染色質(zhì)三維空間上所有位點(diǎn)間的相互作用轉(zhuǎn)變成能被PCR 檢測(cè)的線性結(jié)構(gòu)的技術(shù)。Pan 等利用Hi-C 技術(shù)研究了人脂肪細(xì)胞中基因啟動(dòng)子和遠(yuǎn)端元件之間的相互作用。

值得關(guān)注的是，Buenrostro 等開發(fā)了一種同時(shí)進(jìn)行ATAC-seq 和RNA-seq 的方法（SHARE-seq），該方法不僅解決了傳統(tǒng)RNA-seq 和ATAC 技術(shù)聯(lián)合運(yùn)用時(shí)只能將1 份樣本分成2 份再分別擴(kuò)增DNA 或RNA 而帶來的信息丟失問題，實(shí)現(xiàn)了在單細(xì)胞中同時(shí)高質(zhì)量、高通量地檢測(cè)基因表達(dá)和染色質(zhì)可及性，還可以利用染色質(zhì)開放性預(yù)測(cè)細(xì)胞軌跡和最終狀態(tài)，并且作者認(rèn)為利用這種方法獲得基因表達(dá)信息結(jié)合擬時(shí)序分析后，相較于Peter 基于單細(xì)胞RNA 測(cè)序分析的RNA velocity 法，在細(xì)胞分化期間能在更長(zhǎng)時(shí)間尺度上更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)細(xì)胞命運(yùn)。目前還未見利用該方法進(jìn)行其它研究的報(bào)道，但這項(xiàng)技術(shù)可能為研究脂肪細(xì)胞的起源與分化潛力提供技術(shù)支持。如果能合理將SHARE-seq 與eQTL、CHIPseq、Hi-C 等研究基因表達(dá)調(diào)控的生信分析技術(shù)結(jié)合，研究家畜脂肪組織和肌肉組織中的前體脂肪細(xì)胞、間充質(zhì)祖細(xì)胞、肌肉干細(xì)胞等多種祖細(xì)胞，就可能為這些細(xì)胞譜系的追蹤提供便利，或是進(jìn)一步闡釋細(xì)胞狀態(tài)轉(zhuǎn)換的潛在機(jī)制，從而有可能在細(xì)胞成脂分化和成肌分化機(jī)制的研究中做出新的突破，為抑制家畜皮下白色脂肪細(xì)胞生成，促進(jìn)家畜肌內(nèi)脂肪生成的遺傳改良提供理論支持。

3 蛋白質(zhì)組生信分析鑒定家畜脂肪沉積相關(guān)蛋白

上述基因組和轉(zhuǎn)錄組水平的研究，雖然能通過研究基因及轉(zhuǎn)錄因子的作用機(jī)制，解析家畜脂肪沉積的部分生物過程，但生物功能的實(shí)現(xiàn)最終還是要依靠蛋白質(zhì)，一些蛋白在家畜脂肪沉積過程中發(fā)揮著重要作用。例如調(diào)控脂解的Perilipin 蛋白，脂肪分化相關(guān)的ADRP蛋白等，因此在蛋白質(zhì)組水平研究家畜脂肪沉積規(guī)律也是有必要進(jìn)行的。隨著生物信息學(xué)的發(fā)展，出現(xiàn)了一些利用生物信息學(xué)方法在蛋白質(zhì)組水平解析生物過程的研究。

目前，生物信息學(xué)在蛋白質(zhì)組學(xué)中的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在利用蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫結(jié)合質(zhì)譜技術(shù)鑒定蛋白質(zhì)，預(yù)測(cè)和分析蛋白質(zhì)的功能及其相互作用。Peng 等首先利用MALDI-TOF MS 飛行質(zhì)譜技術(shù)結(jié)合UniprotKB蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫分析出差異表達(dá)的蛋白質(zhì)，再利用Go 和KEGG 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行差異蛋白的富集分析和功能注釋，分析出了一些與雞脂質(zhì)代謝有關(guān)的蛋白質(zhì)，還用IPA 軟件得到了相關(guān)蛋白的互作網(wǎng)絡(luò)。Han 等采用label-free LC-MS/MS 質(zhì)譜比較不同尾型綿羊尾部蛋白的表達(dá)量，后續(xù)分析流程與Peng 等類似，但采用了Ensembl 蛋白數(shù)據(jù)庫和g:Profiler 富集分析網(wǎng)站，最終鑒定了一些與綿羊肥尾性狀相關(guān)的蛋白標(biāo)志物。由此可見，蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫的完善和數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性對(duì)蛋白質(zhì)組研究至關(guān)重要。隨著各種蛋白數(shù)據(jù)庫及大數(shù)據(jù)處理技術(shù)的不斷完善，不但家畜脂肪沉積相關(guān)蛋白質(zhì)的鑒定和功能分析將更加準(zhǔn)確，而且基于大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)匹配和算法，能夠?qū)Φ鞍踪|(zhì)的結(jié)構(gòu)、功能和相互作用進(jìn)行預(yù)測(cè)。Jumper 等開發(fā)的基于機(jī)器學(xué)習(xí)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型AlphaFold2能夠在原子級(jí)別的精度預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，如果能進(jìn)一步開發(fā)這一技術(shù)并將其運(yùn)用到畜牧研究領(lǐng)域，將對(duì)家畜脂肪沉積相關(guān)蛋白的功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)有重大的指導(dǎo)意義。

4 多組學(xué)聯(lián)合分析在家畜脂肪沉積研究中的應(yīng)用

單一組學(xué)分析方法可以提供同一個(gè)體不同時(shí)期，或不同個(gè)體間差異的生物信息，但各個(gè)組學(xué)水平的分子機(jī)制并不能反映整個(gè)生物體的實(shí)際情況。因此在上述各組學(xué)水平的分析基礎(chǔ)上，對(duì)多個(gè)組學(xué)數(shù)據(jù)整合分析是近期熱門的家畜脂肪沉積研究思路。Khanal 等通過基因組學(xué)和微生物組學(xué)的聯(lián)合分析，發(fā)現(xiàn)在評(píng)估豬脂肪沉積相關(guān)性狀的遺傳力時(shí)，整合腸道微生物組信息使脂肪沉積相關(guān)性狀與基因組信息的相關(guān)性下降了20%。Bergamaschi 等將豬基因組上的SNP 與微生物組學(xué)分析后獲得的與豬脂肪沉積相關(guān)的腸道微生物菌群特征關(guān)聯(lián)，進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)豬基因組上存在與這些腸道微生物菌群顯著相關(guān)的SNP 和基因區(qū)域。這兩項(xiàng)研究揭示了有可能存在宿主基因組與腸道微生物的相互作用從而影響家畜脂肪沉積，而這種作用機(jī)制是家畜脂肪沉積研究領(lǐng)域尚未涉及和明確的研究方向。Zhan等研究不同湖北恩施黑豬群體肌內(nèi)脂肪含量差異的分子機(jī)制時(shí)，用轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析找出差異表達(dá)的基因，用代謝組學(xué)分析找出差異的代謝物，將二者數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)等基因與花生酸、甘油三酯等脂肪相關(guān)代謝物顯著相關(guān)。Zhou 等對(duì)背最長(zhǎng)肌肌內(nèi)脂肪含量有差異的硒都黑豬進(jìn)行蛋白質(zhì)組和脂質(zhì)組的生信分析，發(fā)現(xiàn)存在差異蛋白和脂質(zhì)組分，并且一些蛋白質(zhì)和脂質(zhì)存在相關(guān)性，這項(xiàng)研究為豬肌內(nèi)脂肪沉積的分子機(jī)制研究提供了更可靠的候選蛋白和脂質(zhì)組分。Wang 等則是對(duì)背最長(zhǎng)肌肌內(nèi)脂肪含量有差異的南陽黑豬運(yùn)用轉(zhuǎn)錄組與蛋白質(zhì)組聯(lián)合分析方案，從2個(gè)組學(xué)數(shù)據(jù)中尋找交集基因作為決定其肌內(nèi)脂肪含量的候選基因。

這些研究整合多個(gè)組學(xué)水平的信息進(jìn)行生信分析，相較于單個(gè)組學(xué)的生信分析具有許多優(yōu)勢(shì)。整合多組學(xué)數(shù)據(jù)，分析家畜脂肪沉積這一生物過程中候選因子在不同層面的變化，有助于更精確地挖掘出脂肪沉積相關(guān)的關(guān)鍵基因或因子。不同組學(xué)水平分析結(jié)果的相關(guān)性，為進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究各個(gè)分子之間的因果關(guān)系，以及這些分子對(duì)家畜脂肪沉積的調(diào)控作用，提供更多參考依據(jù)。此外，從多個(gè)組學(xué)的角度解釋家畜脂肪沉積機(jī)制，符合生物系統(tǒng)的復(fù)雜性，能更深入地認(rèn)識(shí)控制家畜脂肪沉積這一復(fù)雜性狀的分子機(jī)理和遺傳基礎(chǔ)。但目前在家畜脂肪沉積研究領(lǐng)域，運(yùn)用多組學(xué)聯(lián)合分析的研究較少，整合2 個(gè)以上組學(xué)信息探究家畜脂肪沉積分子機(jī)制的研究還有待完善。由于多組學(xué)聯(lián)合分析相較于單一組學(xué)分析，數(shù)據(jù)量更大、數(shù)據(jù)關(guān)系更復(fù)雜、結(jié)果出現(xiàn)假陽性的可能性更高，機(jī)器學(xué)習(xí)的樸素貝葉斯、隨機(jī)森林、Boosting、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)算法，可能更適用于處理多組學(xué)聯(lián)合分析的數(shù)據(jù)，從而提高分析的準(zhǔn)確性和速度。圖1 總結(jié)了運(yùn)用多組學(xué)生信分析方法，探究家畜脂肪沉積分子機(jī)制及應(yīng)用于家畜脂肪沉積相關(guān)生產(chǎn)問題的模式。

圖1 運(yùn)用多組學(xué)生信分析探究家畜脂肪沉積分子機(jī)制及應(yīng)用模式圖

5 展 望

綜上所述，基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組和多組學(xué)聯(lián)合分析中所使用的以生物信息學(xué)和先進(jìn)技術(shù)為基礎(chǔ)的分析方案，為家畜脂肪沉積的相關(guān)研究提供了新的技術(shù)支持或思路，促進(jìn)了家畜脂肪沉積研究領(lǐng)域的發(fā)展。然而，各個(gè)組學(xué)水平的分子機(jī)制并不能代表整個(gè)生物體的實(shí)際情況，要站在系統(tǒng)生物學(xué)的角度看待問題，運(yùn)用多組學(xué)聯(lián)合分析將各個(gè)水平的數(shù)據(jù)整合為一個(gè)類似于生物復(fù)雜調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的模型，從更高維度解析家畜脂肪沉積的某一生物過程，才符合生物系統(tǒng)的復(fù)雜性，進(jìn)而做出更全面更準(zhǔn)確的機(jī)制解釋。因此運(yùn)用生物信息學(xué)的方法建立基因表達(dá)網(wǎng)絡(luò)、代謝網(wǎng)絡(luò)、蛋白互作網(wǎng)絡(luò)等生物網(wǎng)絡(luò)，并整合多組學(xué)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析家畜脂肪沉積規(guī)律的研究還有待完善。此外，機(jī)器學(xué)習(xí)是近年來發(fā)展迅速的一門新興學(xué)科，其主要研究如何讓計(jì)算機(jī)模擬人類的學(xué)習(xí)行為，自動(dòng)從大量數(shù)據(jù)中獲取新的知識(shí)，并不斷改善自身的性能。目前機(jī)器學(xué)習(xí)正逐漸在各行各業(yè)中應(yīng)用，如果能將機(jī)器學(xué)習(xí)的深度學(xué)習(xí)算法與現(xiàn)有表型測(cè)量技術(shù)結(jié)合，開發(fā)出更精準(zhǔn)、更簡(jiǎn)便的表型測(cè)量方法，將有利于肌內(nèi)脂肪含量等表型數(shù)據(jù)的收集，為家畜脂肪沉積研究中表型組學(xué)和分子機(jī)制的理論研究，提供更好的表型數(shù)據(jù)支持。最后，隨著生物數(shù)據(jù)庫和生物學(xué)理論的不斷完善，生物學(xué)的發(fā)展正朝著類似于物理學(xué)那樣由實(shí)驗(yàn)研究到理論研究再到理論指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的方向前進(jìn)，而生物信息學(xué)基于大數(shù)據(jù)分析所發(fā)揮的預(yù)測(cè)作用，使生物信息學(xué)成為了連接理論研究與理論指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)這兩個(gè)過程的橋梁。未來更多的研究或?qū)⑥D(zhuǎn)向先運(yùn)用生物信息學(xué)對(duì)某一分子功能或生物過程進(jìn)行預(yù)測(cè)，再通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證的方式，這種研究方式會(huì)讓家畜脂肪沉積機(jī)制的研究更加高效，從而為改善家畜肉質(zhì)，減少家畜生長(zhǎng)過程中不必要的脂肪沉積造成的飼料浪費(fèi)，甚至是人類醫(yī)學(xué)治療肥胖，提供更多理論支持。