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绵羊基因组研究揭示瘤胃进化和羊毛生成脂类代谢遗传学机制——最新研究成果于《科学》杂志发表
发布日期: 2014-06-06

201466日,中国科学院昆明动物研究所、深圳华大基因研究院等多家单位联合完成了高质量的绵羊基因组和转录组序列图谱,揭示了反刍动物瘤胃进化以及羊毛脂类代谢相关遗传学机制,为推动绵羊重要经济性状关联基因的鉴定研究奠定了遗传基础,从而加速专门化羊肉新品种的选育以及提高羊毛产量及质量的研究进程。最新研究成果今日于《科学》(Science)杂志在线发表。

绵羊(Ovis aries)是羊肉、奶类、羊毛的重要来源,与我们的日常生活息息相关,具有重要的经济价值。2013年我国国内饲养了约三亿只绵羊和山羊,并且进口了25.9万吨羊肉,这已经占世界羊肉总贸易的20%,而且中国羊肉市场的需求和价格还在持续增长。羊毛是绵羊的另一个显著特征,俗称“软黄金”,可见其经济价值非同寻常,在羊毛中很大一部分的比重是由蜡脂形成的羊毛脂。此外,绵羊也是反刍动物的典型代表,反刍动物是目前主要的陆生食草动物,具有瘤胃这一特殊消耗器官,它主要负责植物纤维的发酵。

在本研究中,科研人员完成了2只特塞尔绵羊的全基因测序工作,并对94个样本(采取自40种不同组织)进行转录组测序。最终科研人员获得25197个注释基因,其中20921个是蛋白编码基因。此外,他们通过对绵羊、山羊、牛、牦牛、猪、骆驼、马、狗、鼠、负鼠以及人的蛋白序列进行比对,在这11种基因组序列之间发现了4,850个单拷贝的同源基因。研究人员发现绵羊从山羊的分化时间以及牛科动物的多样化分化时间恰好与新第三纪后期草地的扩张处在同一时期,那一时期气温比现在要低很多,二氧化碳含量也比现在的大气中的含量高。

哺乳动物的表皮发育复合体(EDC)区域负责编码参与角质化组织表皮结构发育(如瘤胃、皮肤和毛发)相关的蛋白。研究人员在绵羊的EDC区域中首次鉴别到两种在反刍动物中发生特异蛋白结构改变,且仅在瘤胃中特异高表达的结构蛋白。其中一个是毛透明蛋白类似蛋白(TCHHL2),此蛋白是在皮肤中高表达的毛透明蛋白(TCHH)的同系物。另一个是小脯氨酸丰富蛋白II家族(PRD-SPRRII)。这两个结构蛋白发挥瘤胃表面基板的作用,通过转谷氨酰胺酶介导交联瘤胃表达的角蛋白,从而构成瘤胃壁粘膜层的坚韧的角质化表面,参与瘤胃表层角蛋白角质化形成。

绵羊是反刍动物的一个典型代表动物,绵羊具有四个胃室,其中瘤胃容积最大,并且瘤胃中的微生物菌群有助于植物食物中的主要成分木质纤维素的发酵。瘤胃中的微生物菌群也能够产生挥发性的脂肪酸,这个过程需要借助于反刍类特殊的能量和脂类代谢通路。与非反刍动物相比,反刍动物的肝脏主要以挥发性脂肪酸为碳源进行糖异生,而不是脂肪合成的主要场所。

皮肤和羊毛的主要作用是在绵羊和外部环境之间形成一个天然屏障,减少体内水份和热量的散失,并阻止外部病原体进入。羊毛脂占据羊毛重量的10%-25%,它是由羊毛毛囊的皮脂腺分泌的。研究人员发现除了肝脏,反刍动物的皮肤也是重要的脂类代谢器官。绵羊皮肤的转录组数据表明MOGAT2MOGAT3发生了高表达,这两个基因是甘油酯o-酰基转移酶(DGAT2/MOGAT)基因家族的成员,主要参与甘油二酯(DAG)和三酰甘油(TAG)的合成。在已知的几乎所有哺乳动物中,MOGAT2MOGAT3是单拷贝基因,然而在反刍动物中,这两个基因发生了串联基因扩增,表明了其正在进化新的功能。

绵羊皮肤中MOGAT2MOGAT3蛋白的出现表明甘油二酯合成代谢通路发生了明显的改变。另外,MOGAT代谢通路也绕过了1-酰基-溶血磷脂酸(LPA)和磷脂酸(PA)合成步骤。皮肤生成脂肪酶((LIPH)使PA转化成2-酰基LPA,从而控制毛囊的成长。在一些哺乳动物中LIPH突变导致了类似于羊毛的毛发的生长。因此,绵羊皮肤中MOGAT代谢通路降低了甘油三酯合成和磷脂酸合成,皮肤屏障脂质合成和囊泡发育调控的耦合,有利于羊毛的生长。

华大基因该项目负责人谢敏表示,“绵羊是具有很高经济价值的饲养动物,它供给人们羊肉、羊奶和精细的羊毛。绵羊参考基因组序列为我们研究瘤胃进化和绵羊皮肤脂质代谢提供了遗传基础。应用基因组组装结果,我们能够进行许多绵羊相关的研究并且更加全面的了解这一物种,也更加有利于重要经济性状如羊毛、羊肉、羊奶相关基因标志物的筛选。”