基因芯片在猪遗传育种中的应用

（湖南农业大学动物科学技术学院，湖南 长沙 410128）

基因芯片在猪遗传育种中的应用

许 栋，何 俊，贺长青，马海明

（湖南农业大学动物科学技术学院，湖南 长沙 410128）

该文对基因芯片技术的原理、制备方式、分类、优点以及近些年在猪的遗传育种中的应用进行了综述，并对其应用前景进行展望。

基因芯片；抗病育种；猪肉品质

随着功能基因组学研究的不断深入，用传统的实验方法如RT-PCR或Northern印记杂交法来研究基因的表达调控规律，受电泳泳道数量的限制已经不能满足当前研究的需求，而是需要能够同时监测大量靶基因表达的技术，并且可以迅速准确地在基因组水平上阐述不同生物组织或细胞中各种转录本的变化规律，基因芯片技术应运而生。

1 基因芯片技术

基因芯片（gene chip），又名DNA微阵列（DNA microarray）、生物芯片（biochip）、DNA芯片（DNA chip），它是一种小型的分析装置，能够对大量基因和遗传信息进行快速精准的检测、分析。制作基因芯片时，通过微加工技术，将大量的已知或未知的DNA序列片段点在经特殊处理的玻片（规格为2×2 cm2）、金属片或尼龙膜上，变性、固定后形成DNA微阵列。基因芯片是基于核酸分子杂交发展的技术，它可同时对成千上万个DNA片段进行处理分析，具有技术操作简单、自动化程度高、多样品并行处理、检测效率高、应用范围广、序列数量大、分析速度快、所需样品数量少、操作污染少等许多优点，在很大程度上弥补了传统核酸印迹杂交的许多不足[1]。

基因芯片有3种制备方式：简易基因芯片、大规模芯片和光纤微珠芯片。简易芯片一般用手工制作或者机械手点样，涉及的基因数量少（不超过2 000个基因），主要是用来研究小部分特定基因的表达调控情况。大规模芯片涵盖基因组规模或数量大于10 000个基因的组织，制备样品根据实际情况采用接触式点样、非接触式点样或者半导体技术。美国Affymetrix公司制备的基因芯片产品在1．28×1．28 cm2的基片上可包含30万个20～25 mer寡核苷酸探针，其实验室芯片的阵列数已经超过100万个探针。光纤微珠芯片技术（Beadarray technology）是基于光导纤维技术上发展起来的一种新的基因芯片技术，其用途主要集中在SNP（单核苷酸多态性标记）及基因型分析、基因表达谱分析和蛋白组学研究三大领域。相比其他的芯片制作技术，光纤微珠芯片具有密度高、测试重复性好和定制方便的优势。

目前广泛使用的基因芯片大致分为两类：以cDNA（互补脱氧核糖核酸）为探针的表达谱芯片和以寡核苷酸为探针的表达谱芯片。cDNA芯片以PCR产物[cDNA或EST（表达序列标签）片段]为模板，长度在数百到2 000个碱基对，其优点是制作方便，适用于规模不大但研究目的特殊的项目使用，缺点是点样浓度不均匀或者错误[2]。寡核苷酸芯片采用光蚀刻技术，以硅片作固相支持物，将经过选择优化的序列如原位合成长约25个碱基对的寡核苷酸、或是预先合成好的长度60～100个碱基对的寡核苷酸点在载玻片上，制成芯片[3]。与cDNA芯片相比，寡核苷酸芯片的优点是：无需扩增，防止扩增失败影响实验；减少非特异杂交，能有效区分有同源序列的基因；杂交温度均一，提高杂交效率；减少二级结构。

2 基因芯片在猪遗传育种中的应用

研究人员以往只能用自制的基因芯片对猪基因组进行研究，研究范围并不广，自美国Affymetrix公司推出猪的全转录组基因表达芯片以来，对猪基因组的研究越来越广泛，在目前可用的平台，Affymetrix公司的猪阵列是猪基因组学研究中最敏感的和可重复的微阵列[4]。

基础研究和人类生长发育、生理、病理知识的获得与使用合适的生物模型密切相关。即使小鼠和大鼠是人类生物模型最常用的两种哺乳动物，但是它们的许多生理参数如大小、喂养及呼吸速率实际上与人类的差异很大，此外，啮齿类动物的基因组进化速度要比人类基因组的进化速度快[5]。尽管猪的妊娠周期长（猪114 d，老鼠20 d）且饲养昂贵，但作为与人类最相似的生物模型，它可以克服很多问题。尤其是猪与人这两个物种在器官的大小、不同的解剖特点和生理和器官的发育上都非常相似，所以使用猪作生物模型来研究人类的一些重要问题如心血管[6-7]、胃肠道[8]、神经系统[9]、眼睛[10]或肌肉[11]方面的疾病，还有与器官移植相关的研究[12-13]。猪已经成为能够克服日益增长的需求和可用于人类移植器官的供应之间关系最重要的异种移植物种[12，14-15]。

有关猪的基因组结构、基因表达调控和潜在的生理病理分子机制的认知远不如在大鼠和小鼠上取得的成果。猪基因组测序联盟已经完成了90%以上的猪基因组测序[16]。猪基因组的详细信息以及一些新型的转基因技术大大增加了我们创造特定且有用的猪模型的可能性。近来，猪脂肪和肌肉组织中的DNA亚甲基图谱已经发表[17]，基因组序列和基因表达的关联分析还要进行进一步地研究。大部分研究都集中在猪的免疫系统[18-22]，而全基因组的表达分析已经在不同的组织中被描述[23]。

2.1 基因芯片技术在猪的抗病育种中的开发和应用

基因芯片技术具有高通量、并行性和微型化的特点，现已广泛应用于遗传性疾病、肿瘤的诊断[24]，目前，我国猪传染病流行的主要特点是多病原混合感染，繁殖障碍性传染病普遍存在，呼吸道传染病日益突出。采用基因芯片技术，借助多重PCR、核酸杂交以及酶标技术，建立了由猪瘟病毒（classical swine fever virus，CSFV）、猪繁殖与呼吸综合征病毒（p orcine reproductive and respiraory syn drome virus，PRRSV）、猪细小病毒（porcine parvovirus，PPV）、猪圆环病毒2型（porcine cirocovirus-2，PCV-2）、日本乙型脑炎病毒（Japanese B ence phalitis virus，JEV）和猪伪狂犬病病毒（porcine psudorabies virus，PRV）这6种病毒引发的猪病毒性繁殖障碍病低密度基因芯片诊断方法[25]。利用该方法可以对混合感染样本中的6种病毒进行快速、准确地检测，达到鉴别诊断的目的。当前引起猪繁殖障碍的3种主要病原体有PRV、PPV和JEV[26]，针对这3种典型的病毒成功制备了引起猪繁殖障碍的病毒性传染病检测基因芯片并进行了该基因芯片的检测方法研究，相比普通多重PCR，多个探针同时能够对同一个靶病原检测，大大提高了检测的灵敏度[27]。

副猪嗜血杆菌（HPS）是一种革兰氏阴性杆菌的猪病原体，能导致副猪嗜血杆菌病，它的临床症状是引发纤维蛋白的多发性浆膜炎，脑膜炎和关节炎[28]，其他临床表现，如急性肺炎、急性筋膜炎、肌炎，急性败血症和微血栓的形成造成播散性血管内凝血也有一些报道[29-31]。基因芯片分析数据表明，一系列的基因参与免疫反应激活HPS入侵后，尤其是炎症和急性期反应的基因。这一发现可能有助于解释的复杂机制系统性炎症引起的疾病的发病机制，增加我们对感染革兰氏阴性细菌HPS的理解[32]。猪链球菌是在猪断奶后引起败血症、脑膜炎、关节炎、心内膜炎的一种重要的致病菌，过去这些年，这种病原体被认为是一种新型的人畜共患病的病原菌[33]。人类感染猪链球菌后主要表现为脑膜炎、败血症和感染性休克[34]。Dang等人第一次采用基因芯片技术对猪流感病毒或链球菌或二者都有感染后的猪气管上皮细胞进行了一个全面的基因表达分析，流感病毒在呼吸道上皮细胞中可以大量复制，并诱导单核细胞和中性粒细胞的炎症细胞浸润；在合并感染的情况下，这些细胞无法吞噬和杀死链球菌反而被高度激活，猪链球菌并不被视为主要肺病原体，但加剧了在合并感染下的促炎介质产生，这可能是非常重要的发病机制[35]。这些研究成果为当前猪流行病的治疗提供了很多重要的依据和方向。

2.2 基因芯片技术在猪肉品质改良中的应用

利用基因芯片技术对不同品种的猪进行研究，可以全面监测不同遗传背景的猪肌肉细胞在一定条件下的基因表达并进行聚类分析，以此来研究肌肉细胞中聚类在一起的功能基因，当一个或几个未知功能的基因与已知功能类的基因聚在一类，就可推断这个未知功能的基因具有已知功能类基因所具有的功能，从而获得更多新的改良肉品质的候选基因，丰富了猪的遗传数据，也为猪肉品质改良研究奠定了基础。利用载有5 500个猪cDNA克隆的自制芯片上研究22周龄巴克夏猪的腰大肌（红肌）和背最长肌（白肌），获得了115个差异表达的基因[36]，WU T等人[37]在本地著名猪种金华猪和外来猪种长白猪的背最长肌的差异基因研究中，发现了一个新的脂肪沉积的候选基因，porcine FLJ36031（pFLJ）基因，在90日龄的金华猪中高表达，对肌内脂肪细胞的沉积有明显的促进作用。为了获得与肌肉生长和脂肪沉积相关的基因，利用基因芯片技术对本地的滇南小耳猪、藏猪和外来的长白猪、大白猪4个遗传背景相差较大的4个猪种进行了比较分析，发现CAV2、MYOZ2和FRZB基因是调节肌肉生长的关键基因，FASN、SCD和ADORA1基因是调节脂肪沉积的关键基因，并且获得了85个与肌肉生长相关的基因，27个与脂肪沉积相关的基因，这些成果为进一步研究猪的经济性状提供了新的方向[38]。很少有猪骨骼肌基因表达的比较研究，大部分人都关注背最长肌而不是比较背最长肌和半膜肌[36-37]，但是在这两种肌肉中，差异表达的基因数量非常高，Hornsh j等[39]曾在这两种肌肉类型中获得了一个类似的表达谱，然而红肌和白肌的比较研究远比背最长肌和半膜肌的比较研究多，这直接导致猪[36，40]和小鼠[41]中得到的差异表达基因很少。Frederic等[42]利用“Genmascq”芯片对90头半同胞的杜洛克猪、大白猪和汉普夏猪的背最长肌和半膜肌进行了研究，获得了3 823个差异表达基因（P≤0．05），其中1 690和2 133个基因分别在背最长肌和半膜肌中过表达。

过去的十几年里，利用基因芯片技术获得了大量的猪转录组数据[43-45]，其中Affymetrix猪基因组芯片对猪转录组的研究表现出了特别优越的性能[46-47]。

3 展望

随着生物信息学的发展，人类已经从基因组时代进入了后基因组时代，基因芯片技术在各个领域已经充分显示出它的巨大作用，即便存在花费成本大、检测结果具有不同程度的假阳性、易产生光晕效应、结果处理和数据分析复杂、不能检测蛋白质水平的差异等问题。在生物科学技术飞速发展的21世纪，基因芯片技术是集生命科学和信息科学于一体的技术，越来越多的科学家已经利用该技术进行品种改良的研究，目前已成为猪和其他家畜的分子育种和抗病研究的重要工具，为当前快速实现品种改良和丰富遗传数据资源做出了重要的贡献。

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2016-12-07）

宁乡花猪基础研究（5026401-0315069）

许栋（1990-）女，汉，湖南岳阳人，博士在读，学生，就读于湖南农业大学动物科学技术学院动物遗传育种与繁殖专业，猪的分子遗传，E-mail：112668472@qq.com