表观遗传学：家畜遗传育种的新挑战

赵海谕，蓝贤勇，雷初朝,陈 宏

(西北农林科技大学 动物科技学院，陕西 杨凌 712100)

学科动态

表观遗传学：家畜遗传育种的新挑战

赵海谕，蓝贤勇*，雷初朝,陈 宏

(西北农林科技大学 动物科技学院，陕西 杨凌 712100)

表观遗传变异是在DNA序列并没有发生改变的情况下，基因表达调控发生了可遗传性的变化，并最终导致了基因功能甚至个体表型的变化。表观遗传修饰主要包括DNA 甲基化修饰、组蛋白修饰和非编码RNA调控等。目前，表观遗传学正渗透到家畜遗传育种领域，论文着重探讨了表观遗传学在家畜遗传育种中的研究进展及其所面临的新挑战。

表观遗传学；家畜；遗传育种；DNA甲基化

随着DNA分析技术的迅猛发展，家畜遗传育种研究正经历着基因组时代的黄金时期[1-4]。海量的遗传信息为家畜育种值的预测提供了宝贵的参考资料[1，3-4]，增加了准确性和可靠度，也极大地促进了动物遗传育种领域的迅速发展。随着新的研究技术与方法层出不穷，家畜遗传育种学家们将主要精力聚焦在了重要家畜的全基因组测序分析上[5-7]，如：猪、牛、绵羊、山羊、鸡、鸭等，以争取进一步提高基因组选择和QTL定位的准确性[3，8-9]。然而到目前为止，仍然有一个崭新而且具有广阔前景的领域未能在家畜遗传育种中得到广泛的研究和有效的应用，即表观遗传学(Epigenetics)领域[10-13]。为此，论文重点讨论了表观遗传学及其在家畜遗传育种中的研究进展以及所面临的新挑战。

1 表观遗传学

表观遗传学是英文“Epigenetics”的中文翻译，在“Epigenetics”这个英文单词中，“Epi”源自于希腊语，表示“越过、超出、在…之外”之意[13-14]。顾名思义，表观遗传学主要研究在DNA序列水平之外，在DNA序列不发生改变的情况下所发生的基因表达调控的可遗传变化。根据表观遗传学的定义，并不是所有的遗传信息都包含在DNA序列里，同时也存在于表观基因组一些其他类型的修饰当中[14]。换言之，基因组中主要包含有两类重要的遗传信息：一类是传统意义上的由DNA序列所提供的遗传信息，而另一类则是新兴的表观遗传修饰信息，它提供了在何时、何处并且以何种方式来执行第一类遗传信息的指令，个体之间表观遗传修饰的差异会导致相应基因表达的差异，由此引起表型的差异[15]。近些年来，表观遗传修饰研究作为一个新的研究方向，已经在人类疾病的研究[16-17]及治疗[18]等方面发挥着越来越重要的作用。目前，常见的表观遗传修饰类型主要包括有组蛋白修饰[19-20]、DNA甲基化修饰[19-21]和非编码RNA调控[22-23]等。

1.1 组蛋白修饰

作为真核生物染色体的基本结构蛋白，组蛋白是在将裸露的DNA分子折叠形成染色质状态中发挥作用的关键蛋白[15，19]。H1、H2A、H2B、H3和H4四种组蛋白尽管具有进化上高度的保守性，但其结构并不处于静态，而是在修饰过程中经常发生动态变化，从而为其它蛋白与DNA分子的结合提供识别标志，产生协同或者拮抗效应，这种动态转录调控机制，已经被大家形象地称为“组蛋白密码”[19,24]。常见的组蛋白修饰主要包括甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化、羧基化和糖基化等[15,19,24]。在功能基因组研究中，解析DNA与组蛋白等功能蛋白结合的这一类表观遗传修饰信息对于详细解读转录调控机制至关重要。

1.2 DNA甲基化修饰

DNA甲基化修饰广泛而大量地存在于哺乳动物基因组中，在调控基因选择性表达、维持基因组稳定性以及保证机体正常生长发育等生命过程均发挥至关重要的作用。DNA甲基化是在DNA甲基化转移酶(DNMT)的作用下，催化S-腺苷甲硫氨酸成为甲基供体，从而将甲基基团连接到DNA分子的碱基上[25]。通常情况下，真核生物的DNA甲基化是以5-甲基胞嘧啶(5-mC)为主，同时也存在有少量的N6-甲基腺嘌呤(N6-mA)及7-甲基鸟嘌呤(7-mG)[15,19,26]。根据目前的研究结果，哺乳动物中与DNA甲基化有关的甲基化转移酶主要有4种：DNMT1，DNMT2，DNMT3a和DNMT3b[27]。DNA分子中经常聚集成簇的CpG二核苷酸位点是发生甲基化修饰的主要位点，基因组中富含CpG二核苷酸位点的DNA片段被称为CpG岛，而某些基因型更易受DNA甲基化的影响，即对甲基基团更加敏感[28]。动物体内的DNA甲基化状态大体上可分为3种：一种是如持家基因一样持续的低甲基化状态；另一种是持续的高甲基化状态，其中最具有代表性的就是雌性的一条特异性失活的X染色体；而第三种则是临时诱导的去甲基化状态，例如发育中的一些阶段性高表达基因。尽管DNA甲基化并不改变基因的一级结构，但却通过甲基化和去甲基化在调控基因的时空特异性(选择性)表达过程中发挥重要作用[29]，是一个动态的表观遗传修饰过程。

1.3 非编码RNA调控

非编码RNA是指在生物体内不能被翻译为蛋白质的功能性RNA分子，可以分为持家非编码RNA(Housekeeping non-coding RNA)和调控非编码RNA(Regulatory non-coding RNA)，而具有调控作用的非编码RNA可以根据其长度分为两类：长链非编码RNA(LncRNA)和短链非编码RNA(包括siRNA、miRNA和PiRNA)[22,30]。大量研究结果已经表明：非编码RNA调控作为一种非常重要的表观遗传调控方式，不仅能够调节染色体整体和基因组整体的活性，还可以调节单个基因的活性，对维持基因组的稳定性，调节细胞分裂、分化乃至生物体的生长发育都具有至关重要的作用[23]。但相对于酵母、果蝇、线虫等模式生物而言,家畜等哺乳动物中非编码RNA调控的研究大大滞后。

2 表观遗传学与家畜遗传育种

随着表观遗传学领域的迅速发展以及新一代测序技术的突飞猛进[31]，全世界对与人类生长发育和疾病相关的表观遗传学机制已经进行了大量而较深入的探索[11]，但对于家畜基因组中DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA调控等表观遗传调控及其在育种中应用的研究报道却很少[13]。

表观遗传学之所以对家畜遗传育种领域有极大的吸引力，是因为表观遗传修饰与家畜复杂经济性状和疾病有关，有助于补充、完善之前分子育种中所发现的基因序列与生产性状之间的因果关系及遗传可能性[4,13]。由于环境因素例如饮食、压力、药物、污染以及其他一系列因素的干扰，家畜个体的表观遗传修饰模式在其一生中发生着不断的变化，特定的外界环境状况可能有助于形成特定的表观遗传模式，从而导致个体之间表型的差异，育种中考虑到这类因素的作用可以有助于更加准确地预测育种值。以DNA甲基化修饰为例，环境因素有可能在特定的情况下，特定的时间里，影响下一代甚至第三代的DNA甲基化模式。就人类而言，1944年在荷兰饥荒中怀孕的母亲，其子女乃至其下一代中大范围地出现了一系列的健康问题[32]，而在家畜遗传育种研究中，关于这方面的研究报道甚少，2013年，LAN等[33]以绵羊为研究对象，发现怀孕母体不同营养状况(分别以苜蓿和玉米饲喂)对其子代DNMT基因和IGF2、IGF2R、GRB10、DLK1、DIO3、H19、PEG1.2、MEG8等印记基因的mRNA表达及IGF2R基因的DNA甲基化水平具有显著影响。

表观遗传学在多个方面对家畜遗传育种领域具有指导作用，主要表现在以下几个方面：

(1)表观遗传影响家畜的重要生产性状。目前家畜功能基因及功能基因组学研究已成为国内外遗传育种领域的热点，确定家畜在非基因序列水平上的DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA调控等表观遗传机制与家畜生产、生长性能等表型之间的关系，解析表观遗传修饰对家畜重要经济性状的影响，从而进一步开展分子育种，是家畜遗传育种研究和应用的重要方向[13]。2013年，在已有的研究基础上，Pan等[34]首次提出山羊Dnmt3b基因的DNA甲基化修饰可以作为生长发育的表观遗传标记。2014年，赵海谕[35]通过鉴定奶山羊PITX1和PITX2基因的DNA甲基化模式及其与泌乳性能之间的联系，发现两个基因的DNA甲基化水平可能对奶山羊的泌乳性能有影响，并可能在分子育种中作为提高奶山羊泌乳性能的候选表观遗传标记。

(2)表观遗传影响家畜的抗逆性和抗病力，提高其对外界环境的适应能力。根据已有的研究结果，发生在逆境中的适应性表观遗传变异是可以以基因表达模式的形式遗传给后代的，而且经过数代的适应性变化其抗逆性可能明显提高[36]。在奶牛乳房炎的抗病育种研究中，解小莉等[37]发现乳房炎相关基因(包括CCL2、CCR2、JAK2、IL6、CD4 以及GATA3 等59 个基因)的启动子和第一外显子中CpG含量显著低于产奶性状相关基因(包括HAL、FOXH1和MAF等53 个基因),而两类性状基因下游2 000 bp序列中CpG含量无显著性差异，提示DNA甲基化对产奶性状与乳房炎性状有显著关系。但是其中的确切关系及详细分子机制依然需要进一步的深入研究。

(3)表观遗传与杂种优势及杂种雄性不育有关。众所周知，马与驴、普通牛与牦牛等物种杂交后，后代会体现出显著的杂种优势和雄性不育问题。杂种优势是由基因选择性表达所导致的，而表观遗传修饰正是基因表达发生可遗传改变的重要机制，有可能涉及杂种优势的形成。因此研究家畜的优势杂种与其亲本之间的表观遗传修饰差异，将有可能为深入了解动物杂种优势产生的机制，甚至为将来利用杂种优势进行动物育种提供有价值的资料[38]。远缘杂交后代的雄性不育严重限制了杂种优势和遗传资源的充分利用。现有的研究结果已表明，Y染色体特异性基因的表观遗传修饰及基因表达对动物配子发生起着关键性的作用，与精子的形成密切相关[38-40]。可以推测，通过比较Y染色体特异性基因的表观遗传修饰情况来探究雄性不育的机理，有可能成为揭秘杂种雄性不育的重要途径。

3 困难与挑战

表观遗传领域以及研究分析技术的不断发展，对家畜遗传育种的研究和实践提出了新的挑战。首先，仍有许多未知的问题亟待解决，其中最大的问题在于，与DNA序列水平上的遗传信息不同，表观遗传修饰在个体生长发育过程中并不是一成不变的，会发生变化，而且表观遗传信息在世代传递中的遗传规律难以探寻，表观遗传记忆被认为在哺乳动物的减数分裂中会被消除，少数情况下隔代的表观遗传会在基因组的特定位置被保存[13,41]。另一个未知的问题是，具体有多大比例的表型变异是由DNA甲基化等表观遗传变异所导致的，其能够对未来多少代的表型产生影响？这些问题都成为困扰表观遗传育种研究的难题，也是表观遗传育种由理论研究走向实践应用之障碍，是未来研究探索的重点。

研究中还存在样品选择的问题，表观遗传修饰(如DNA甲基化、非编码RNA调控)具有严格的组织特异性，同一个体同一时期的不同组织器官的表观遗传模式具有很大差异，且不同器官或组织的特异性细胞对于研究不同的疾病及其病理具有不同的意义[13,15,19]。因此，样品的采集必须与所研究的的目的相一致，例如，生殖细胞(精子、卵子)对于家畜繁殖性状研究具有重要意义，而乳腺细胞则主要被用于研究奶牛、奶山羊的泌乳性能及乳腺炎，这与DNA序列水平上的遗传变异研究具有本质不同[35]，在样品的选择及大规模采样中困难更大。

此外，经典的分子遗传学和新兴的表观遗传学一样，均对家畜遗传育种研究具有重要的指导意义，而整合家族系谱关系、基因遗传变异以及表观遗传修饰的复杂联合分析将对遗传信息与家畜生产性状的关联分析、全基因组预测的统计分析造成非常大的困难和挑战。

4 展 望

迅速发展的表观遗传学和高通量测序技术[31]，为家畜表观遗传研究提供了强有力的工具。研究DNA 甲基化模式的亚硫酸氢盐测序(Bisulfite-sequencing)和焦磷酸测序技术(Pyrosequencing)、研究组蛋白修饰的染色质免疫共沉淀(Chip)等新技术的涌现[13]，将有望更深入、更精确地检测家畜与重要经济性状相关的关键基因，乃至全基因组水平上的表观遗传修饰状态，为家畜遗传育种研究提供理论和实践指导。

表观遗传在家畜育种中的应用研究在未来的几十年中将是一个非常引人注目的研究领域，首先应该关注的是与家畜重要经济性状相关的表观遗传标记(Epigenetic marker)的筛选，如DNA甲基化标记等，并且在可能的情况下，在家畜育种和管理中进行有效的表观遗传筛选工作；同时，结合生物统计学、生物信息学等多方面知识，有效地检测群体中的表观遗传变异，开发更加完善的统计分析工具以进行家畜全基因组表观遗传分析以及基因组-表观基因组联合分析，从而解析基因组-表观基因组-动物表型之间的关系，深入理解家畜生长发育及生产性能的具体调控机制。

要全面理解表观遗传修饰对于家畜复杂经济性状的调控作用，进而进行表观遗传筛选、预测和育种仍然有相当长的路要走，而表观遗传学在家畜育种中将具有广阔的研究前景与巨大的应用潜能。

[1]Buzanskas M E,Grossi D A,Ventura R V,et al.Genome-wide association for growth traits in Canchim beef cattle[J].PLoS One,2014,9 (4): e94802.

[2]Tsuda K,Kawahara-Miki R,Sano S,et al.Abundant sequence divergence in the native Japanese cattle Mishima-Ushi (Bos taurus) detected using whole-genome sequencing[J].Genomics,2013,102 (4):372-378.

[3]Bolormaa S,Pryce J E,Kemper K E,et al.Detection of quantitative trait loci in Bos indicus and Bos taurus cattle using genome-wide association studies[J].Genet Sel Evol,2013,45:43.

[4]Michels K B,Binder A M,Dedeurwaerder S,et al.Recommendations for the design and analysis of epigenome-wide association studies[J].Nat Methods,2013,10 (10):949-955.

[5]Pérez-Enciso M.Genomic relationships computed from either next-generation sequence or array SNP data[J].J Anim Breed Genet,2014,131(2):85-96.

[6]Hoffman J I,Simpson F,David P,et al.High-throughput sequencing reveals inbreeding depression in a natural population[J].Proc Natl Acad Sci USA,2014,111(10):3 775-3 780.

[7]Longpre K M,Kinstlinger N S,Mead E A,et al.Seasonal variation of urinary microRNA expression in male goats (Capra hircus) as assessed bynext generation sequencing[J].Gen Comp Endocrinol,2014,199:1-15.

[8]Demeure O,Duclos M J,Bacciu N,et al.Genome-wide interval mapping using SNPs identifies new QTL for growth,body composition and several physiological variables in an F2 intercross between fat and lean chicken lines[J].Genet Sel Evol,2013,45:36.

[9]Meuwissen T H E,Goddard M.Accurate prediction of genetic values for complex traits by whole-genome resequencing[J].Genetics,2010,185(2): 623-631.

[10]Vickers M H.Early life nutrition,epigenetics and programming of later life disease[J].Nutrients,2014,6(6):2 165-2 178.

[11]丁 楠,渠鸿竹,方向东.ENCODE计划和功能基因组研究[J].遗传,2014,36(3): 237-247.

[12]Satterlee J S,Schubeler D,Ng H H.Tackling the epigenome: challenges and opportunities for collaboration[J].Nat Biotechnol,2010,28(10):1 039-1 044.

[13]Oscar González-Recio.Epigenetics: a new challenge in the post-genomic era of livestock[J].Frontiers in genetics,2012,2:106.

[14]薛开先.表观遗传学几个重要问题的述评[J].遗传,2014，36(3): 286-294.

[15]蔡 禄.表观遗传学前沿[M].北京：清华大学出版社,2012.

[16]Kang C,Song J J,Lee J,et al.Epigenetics: An emerging player in gastric cancer[J].World J Gastroenterol,2014,20(21):6 433-6 447.

[17]Easwaran H,Tsai H C,Baylin S B.Cancer epigenetics:tumor heterogeneity,plasticity of stem-like states,and drug resistance[J].Mol Cell,2014,54(5): 716-727.

[18]Ombrello M J,Sikora K A,Kastner D L.Genetics,genomics,and their relevance to pathology and therapy[J].Best Pract Res Clin Rheumatol,2014,28(2):175-189.

[19]Rothbart S B,Strahl B D.Interpreting the language of histone and DNA modifications[J].Biochim Biophys Acta,2014,1839(8)：627-643.

[20]王瑞娴,徐建红.基因组 DNA 甲基化及组蛋白甲基化[J].遗传,2014,36(3): 191-199.

[21]Jeltsch A,Jurkowska R Z.New concepts in DNA methylation[J].Trends Biochem Sci,2014,39(7):310-318.

[22]Clark B S,Blackshaw S.Long non-coding RNA-dependent transcriptional regulation in neuronal development and disease [J].Frontiers in genetics,2014,5:164.

[23]杨 峰,易 凡,曹慧青,等.长链非编码RNA研究进展[J].遗传,2014,36(5): 456-468.

[24]Li G M.Decoding the histone code: Role of H3K36me3 in mismatch repair and implications for cancer susceptibility and therapy[J].Cancer Res,2013,73(21):6 379-6 383.

[25]Bird A.DNA methylation patterns and epigenetic memory[J].Genes & Development,2002,16(1): 6-21.

[26]Bestor T H.The DNA methyltransferases of mammals[J].Human Molecular Genetics,2000,9(16):2 395-2 402.

[27]Brenner C,Fuks F.DNA methyltransferases: facts,clues,mysteries.DNA Methylation[M]Springer，Basic Mechanisms: Berlin Heidelberg,2006: 45-66.

[28]Coolen M W,Statham A L,Qu W,et al.Impact of the genome on the epigenome is manifested in DNA methylation patterns of imprinted regions in monozygotic and dizygotic twins[J].PLoS One,2011,6(10): e25590.

[29]Feng S,Cokus S J,Zhang X,et al.Conservation and divergence of methylation patterning in plants and animals[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,2010,107(19):8 689-8 694.

[30]Ponting C P,Oliver P L,Reik W.Evolution and functions of long noncoding RNAs[J].Cell,2009,136(4): 629-641.

[31]沈 圣，屈彦纯,张 军.下一代测序技术在表观遗传学研究中的重要应用及进展[J].遗传,2014,36(3): 256-275.

[32]Heijmans B T,Tobi E W,Stein A D,et al.Persistent epigenetic differences associated with prenatal exposure to famine in humans[J].Proc Natl Acad Sci USA,2008,105(44):17 046-17 049.

[33]Lan X Y,Cretney E C,Kropp J,et al.Maternal diet during pregnancy induces gene expression and DNA methylation changes in fetal tissues in sheep[J].Frontiers in genetics,2013,4: 49.

[34]Pan C,Jia W,Wu X,et al.DNA methylation profile of caprine Dnmt3b gene and its influence on growth traits[J].The Journal of Animal & Plant Sciences,2013,23 (2): 380-387.

[35]赵海谕.奶山羊PITX1、PITX2 基因的遗传变异、mRNA表达及DNA甲基化修饰对泌乳性能的影响[D].陕西杨凌：西北农林科技大学,2014.

[36]Reik W.Stability and flexibility of epigenetic gene regulation in mammalian development[J].Nature,2007,447(7143): 425-432.

[37]解小莉,俞 英,袁志发,等.奶牛产奶性状与乳房炎相关基因CpG含量及分布特征的比较分析[J].遗传,2012,34(4): 437-444.

[38]Ferguson-Smith A C,Surani M A.Imprinting and the epigenetic asymmetry between parental genomes[J].Science,2001,293(5532):1 086-1 089.

[39]Ginalski K,Rychlewski L,Baker D,et al.Protein structure prediction for the male-specific region of the human Y chromosome[J].Proc Natl Acad Sci USA,2004,101(8):2 305-2 310.

[40]Skaletsky H,Kuroda-Kawaguchi T,Minx P J,et al.The male-specific region of the human Y chromosome is a mosaic of discrete sequence classes[J].Nature,2003,423(6942): 825-837.

[41]Jablonka E,Raz G.Transgenerational epigenetic inheritance: prevalence,mechanisms,and implications for the study of heredity and evolution[J].The Quarterly Review of Biology,2009,84(2),131-176.

《家畜生态学报》稿约

《家畜生态学报》由中华人民共和国教育部主管，西北农林科技大学主办，中国畜牧兽医学会家畜生态学分会协办的学术类农业科技期刊，创刊于1980年。是全国中文核心期刊(2011年版),中国科技核心期刊，RCCSE中国核心学术期刊，全国畜牧兽医优秀期刊，大16开，月刊，国际标准连续出版物号：ISSN 1673-1182，国内统一连续出版物号：CN 61-1433/S，邮发代号：52-112。

1 刊文内容

本刊以展示家畜生态研究成果，指导生态牧业发展，促进畜牧生产与环境和谐为办刊宗旨，倡导绿色、环保、可持续发展的畜禽健康养殖理念，全面提升我国家畜生态学科研究水平。主要刊登家畜生态研究、家畜环境控制、畜禽资源评价、畜禽洁净化生产、畜禽安全生产、畜产品品质保障、动物健康与福利方面的重要基础理论和应用研究成果。

2 投稿要求

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Epigenetics：NewChallengeofBreedingandGeneticsinLivestock

ZHAO Hai-yu,LAN Xian-yong*,LEI Chu-zhao,CHEN Hong

(CollegeofAnimalScienceandTechnology,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100)

Epigenetic variations refers to the heritable changes in gene expression,genomic functions and individual phenotypes without altering the underlying DNA sequences.Epigenetic modifications mainly include DNA methylation,histone modification and noncoding RNA regulation.However,the epigenetics is entering the the field of animal breeding and genetics of livestocks.Therefore,this paper discussed the progress and challenge of epigenetics on the study of livestock genetics and breeding.

epigenetics; livestock; breeding and genetics; DNA methylation

2014-07-02，

2014-08-11

国家自然科学基金(No.31172184)；陕西省青年科技新星基金(No.kjxx64)

赵海谕(1988-)，男，甘肃兰州人，硕士，主要从事动物表观遗传学研究。E-mail：haiyuzhao@163.com

*[通讯作者]蓝贤勇(1979-)，男，江西赣州人，博士，副教授，硕士生导师，主要从事动物遗传育种与表观遗传修饰研究。 E-mail：lanxianyong79@nwsuaf.edu.cn

S811.6

A

1005-5228(2014)08-0001-05