奶山羊产奶性状相关基因的筛选与功能研究进展

孙军昌

（山东省青岛市即墨区畜牧兽医局，山东 青岛 266200）

我国的奶山羊品种以北方地区的关中奶山羊和崂山奶山羊最为出名，其余地区也有多个地方奶山羊品种。这些奶山羊均为莎能奶山羊与当地山羊品种杂交所产生的后代，具有产奶性能稳定、产奶量高、奶质优良等优点。与牛奶相比，奶山羊所产鲜奶的营养物质含量更为丰富，且更易于人体吸收，是一种最接近人奶的乳品。近年来，随着分子育种技术的不断发展，关于奶山羊产奶性状相关基因的研究逐步展开，尤其是转录组测序技术的广泛应用，使得对于奶山羊产奶性状相关基因的研究更加便捷化。笔者对奶山羊产奶性状相关基因的研究进展进行综述，以期为奶山羊优秀基因资源的研究、保护和利用提供理论依据。

1 与产奶性状相关基因的研究进展

1.1 β-酪蛋白基因

酪蛋白（casein）在哺乳动物乳蛋白中含量较高，在乳蛋白中约占80%，而β-酪蛋白是所有哺乳动物乳蛋白中含量最高的。其作用机制在近几年的研究中已经越来越清晰，目前的研究认为，当泌乳激素开始刺激β-酪蛋白基因时，β-酪蛋白基因表现出了很强的表达活性，贯穿整个乳蛋白基因表达过程，其优势地位非常明显［1］。酪蛋白编码基因也被称为CSN基因。在牛的乳腺组织中，牛第 6 号染色体（Bos taurus autosome 6，BTA6）上的CSN1、CSN2 和 CSN3 基因分别编码 α-、β-和 κ-酪蛋白［2］。研究人员通过等位基因检测发现，单倍型的CSN2B和CSN3B均能提高酪蛋白的含量和指数。当酪蛋白含量不同时，不同的等位基因，例如 CSN3B、CSN2B、CSN2A1、CSN2I等位基因则会出现不同的影响。单倍型的酪蛋白对总乳蛋白和总酪蛋白含量均有显著影响。然而，在其他学者的研究中则认为总乳蛋白的含量与乳蛋白基因型没有明显关系。但所有的研究都认为，不同的基因型对产奶性状的影响作用不大。

1.2 β-乳球蛋白基因

β-乳球蛋白（β-lactoglobulin，β-LG）是鲜奶中蛋白质的一种，约占鲜奶蛋白质含量的7%～12%。作为哺乳动物乳汁中一种重要的乳清蛋白，其主要是由反刍动物乳腺上皮细胞合成和分泌的。但在啮齿类动物乳汁及人乳中却缺少该种乳球蛋白［3］。编码β-LG蛋白的基因被称为BLG基因，牛的BLG基因被定位于BTA11上［4］。牛属动物中共有11种BLG变异体，其中，最主要的是A和B两种变异体［5-6］，这两种变异主要是由于碱基替换形成的，分别位于BLG基因的第3和第4外显子。在以往的研究中，这两个外显子的变异所产生的不同基因型对生产奶酪有直接的影响，即BB型奶牛的牛乳更适合于奶酪生产［7-8］。当对BLG与泌乳性状相关性进行研究时，不同的研究人员有着不同的研究结果。Zakizadeh等［9］研究认为，BLG对产奶量有影响，对乳脂率无显著影响。但也有一些研究发现，BLG对产奶量无显著影响，认为BLG等位基因B与高乳脂率相关。有学者研究发现，BLG基因的BB基因型可以增加酪蛋白的含量［10］。BLG等位基因A可以增加β-LG的浓度和提高β-LG在总乳清蛋白中的比例，而对于另外一些乳蛋白，如β-酪蛋白和αS1-酪蛋白的含量却有降低作用［11］。

上述研究结果表明，CSN2、CSN3单倍型和BLG基因型的改变，可以直接影响乳蛋白中某些成分的含量以及组分，这在一定程度上说明，在利用现代生物技术后，所生产的乳制品中所有的乳蛋白组分将发生改变。另外，酪蛋白单倍型和BLG基因的基因型对乳蛋白组分的作用明显，而对产奶性能没有显著影响，这样可以确保在不影响产奶特性的前提下改变乳蛋白组分。

1.3 成纤维细胞生长因子2基因

成纤维细胞生长因子2（fibroblast growth factor 2，FGF2）是一种重要的调节乳腺生长发育的基因，通常在乳腺中表达［12］。此外，当哺乳动物处于发情期或者早期妊娠阶段时，其子宫内膜中也有表达［13］。目前的研究发现，FGF2作为一种调节因子可调控干扰素-τ（interferon-τ，IFNT）的表达，而IFNT是与产奶相关的信号转导途径中的一个重要信号因子，因此，FGF2被认为可能参与了哺乳动物的产奶过程，并在整个产奶过程中发挥一定的调节作用［14］。Michael等［14］研究发现，FGF2 突变体对一些牛群体的乳脂产量、乳脂率、体细胞评分（somatic cell score，SCS）以及生产期具有显著的显性和完全显性效应，但并非对所有群体的产奶相关性状均有显著影响；此外，研究还认为牛的IFNT是在妊娠后第9天被孕体释放，它还可以起到妊娠识别信号的作用。当IFNT与位于子宫内膜细胞上的 α-干扰素受体 （interferon-α receptor，IFNAR）结合时，可以激活酪氨酸蛋白激酶2（tyrosine protein kinase 2，TYK2）和两面神激酶 1（janus kinase 1，JAK1），使信号转导及转录激活子1（signal transducers and activators of transcription 1，STAT1）和STAT2的酪氨酸残基磷酸化，进而激活其信号通路下游的一系列酶和基因的表达，包括STAT1［15］、骨桥蛋白（osteopontin，OPN）［16］、子宫乳蛋白（uterine milk proteins，UTMP）［17］、STAT5［18］以及生长激素受体 （growth hormone receptor，GHR）［19］等，而这些基因已经被证实与奶牛产奶及健康性状相关。

1.4 STAT1和STAT5A基因

信号转导及转录激活子（STAT）在细胞的生长中发挥着非常重要的作用，其存在于细胞质中，是一类可以通过自身的激活作用，从而对多种细胞因子、生长因子及激素加以作用的蛋白质［20］。目前，随着转录组测序技术的应用，大部分的STAT基因已成功地在牛基因组中进行了定位。

目前的研究认为，STAT1定位于牛第2号染色体上，其参与了细胞中与脂肪代谢及蛋白质合成过程中相关基因的表达调控［21］。乳腺组织的发育也有STAT1基因的参与并在其中进行表达。另外，Cobanoglu 等［21］研究发现，与牛奶的相关组分及产奶性状相关的SNP位点很多都集中在该基因的某些区域。近年来，越来越多的研究结果认为，STAT1及其相关的信号通路均参与了哺乳动物的产奶过程。随着转录组测序和全基因组测序技术的发展，其作用机理也在不断清晰。受促乳素的调节，使STAT1进行表达，动物分泌的促乳素与细胞质中的相关受体结合，进而激活STAT1、STAT3和STAT5蛋白，使STAT相关信号通路进行作用，从而促使核内与合成乳蛋白等成分的相关基因进一步翻译表达［22］。许多研究已经证实，脂肪代谢以及乳蛋白的合成也受 STAT1调节［23］。Cobanoglu等［21］研究发现，乳脂率和乳蛋白率的变化与该基因的一个SNP位点有关，这些现象的出现，很有可能是通过促乳素信号转导通路完成的。

STAT5A蛋白是乳腺细胞产奶过程中的一种重要的乳腺因子，最初是在乳腺组织中发现的，其可以与乳蛋白在同一时间表达［24］，而且是IFNT和胎盘促乳素（placental lactogen，PL）信号通路的重要组成成分。近几年的研究已经证实，STAT5A参与了多种细胞，包括子宫和乳房上皮细胞的相关信号转导。在影响子宫中IFNT、PL、雌激素、黄体酮和胎盘生长激素的过程中，可以促使其持续表达。PL可以激活STAT5，从而形成同源二聚体，使乳腺组织中的乳蛋白基因（UTMP）和骨桥蛋白基因（OPN）进一步翻译表达［25-26］。研究证实，UTMP［16］和 OPN［17，27］基因对产奶性状和健康相关性状有非常显著的作用。对牛STAT5A基因的SNP12195（位于外显子8）与牛奶成分和胚胎存活率的相关性分析显示，该SNP的等位基因G与乳蛋白率和乳脂率的明显减少相关，还与低胚胎存活率有关［17，27］，因此，该 SNP 对后裔测定是一个具有挖掘潜力的候选位点。

2 与奶山羊产奶性状相关的基因组学研究进展

研究人员对Maltese奶山羊的初乳期和120 d奶山羊乳腺组织细胞进行RNA-seq测序，通过比对不同时期乳腺组织中产奶相关基因的表达情况，检测到15个表达量最高的基因。在初乳期乳腺组织中，糖酵解以及合成代谢免疫反应的相关信号通路占据了主要部分；而在120 d奶山羊的乳腺组织中淋巴细胞活性显著增加，表明奶山羊所产奶具有低聚糖特性，适宜人类食用［17］。

有学者对奶山羊在不同热激条件下乳腺组织相关基因表达情况进行了研究，结果显示，其乳腺组织中各细胞在脂肪合成的整个过程（ACACA和FASN）、脂肪酸的去饱和（SCD）、乳脂球的组成成分（BTN1A1、XDH 和 GLYCAM1）以及乳蛋白和乳糖合成（CSN1S1、CSN1S2、CSN3 和 LALBA）的相关基因均会出现下调；与此同时，组织蛋白酶（CTSS、CTSC、CTSD、CTSB、CTSZ 和 CTSL1）、泛醌蛋白酶体相关的通路 （TNFRSF1A和TNFRSF1B）和血纤维蛋白溶酶原通路（PLAUR和PLAU）的相关基因出现表达上调［18］。结果说明，热激条件不仅会影响奶山羊乳中乳脂、乳蛋白以及乳糖的合成，而且还会影响乳蛋白的降解，从而影响奶品质。

近年来，有关奶山羊产奶性状方面的研究逐渐集中在另外一个热点——miRNA技术。Li等研究发现，利用miRNA挖掘技术，在干奶期和产奶高峰期的奶山羊乳腺组织中，共鉴定得到346个物种间的保守miRNA以及95个新的miRNA［19］。国内学者在崂山奶山羊产奶高峰期的乳腺组织中检测到131个新的miRNA。Mobychon等采用3种不同的方法对奶山羊乳腺中表达的miRNA进行鉴定，共鉴定得到924个miRNA，其中，有263个位于基因内；这些miRNA中有114个在山羊和牛中是保守的，并处于与产奶性状相关的QTL中［22］。在目前已经发现的miRNA中，miR-27a、miR-24、miR-17-5p 和 miR-148a 均与脂肪合成相关［16，24-25］。研究发现，miR-27a的表达在山羊乳腺组织中的不同泌乳周期出现不同的表达量。当miR-27a过表达时，会促使甘油三酯的积累降低，同时，饱和脂肪酸与非脂肪酸的比例也会出现降低。

研究表明，过氧化物酶体增殖物激活受体γ（peroxisome proliferator-activated receptor γ，PPARγ）可以调控山羊乳腺上皮细胞中的脂质代谢［23］，而 miR-27a的表达同样也能够降低 PPARγ的表达水平。miR-24在产奶高峰期表达量最高，在干奶期表达最低［24］。研究人员对干奶期和泌乳早期的山羊乳腺组织中的基因表达情况进行了分析， 发现 miR-17-5p、miR-148a、PPARGC1A 和PPARA在这两个时期均呈现高表达状态［25］。在乳腺上皮细胞中开展的进一步研究表明，PPARGC1A和PPARA分别受到miR-148a和miR-17-5p的调节［23］。研究发现，过表达miR-148a和miR-17-5p能够促进甘油三酯的合成，且抑制miR-148a和miR-17-5p的表达能够抑制甘油三酯的合成［25］。有学者对采自瑞士的奶山羊样品采用SNP芯片进行特异性的选择信号分析，发现 PITX2、ABCG2、SPP1和 GHRH等与产奶性状相关的基因选择出现了非常强的相关性［26］。

3 奶山羊产奶性状研究的前景

目前，关于奶山羊产奶性状相关基因的研究越来越多，这其中也包括了与产奶量、乳脂率以及乳蛋白率等多个功能的相关基因。在研究过程中，许多学者仍然延续采用数量性状相关的研究方法，认为其不仅受微效多基因、QTL等控制，更与主效及主控基因的密切调控相关，因此，在开展分子育种技术的相关研究时，首先应明确主效及主控基因与相关产奶性状的连锁关系。随着生物学技术的发展，转录组测序技术及全基因组测序技术的应用，使分子育种技术得到了质的飞越，许多不曾被关注的基因功能也越来越多地被挖掘出来，这些技术的广泛应用成为奶山羊育种发展的必然趋势。

现阶段，牛奶仍然是大众消费的主要奶产品，因此，关于家畜产奶性状相关基因的研究也多集中在奶牛方面。随着人们对羊奶营养水平认识的不断深入，羊奶也正逐渐被广大消费群体接受。奶山羊分子育种技术的发展使得奶山羊的产奶性能得到进一步提升。随着二代测序技术的发展，对遗传背景相似的奶山羊的转录组测序与miRNA测序工作正在不断推进。基因编辑技术的发展也为奶山羊产奶性状特定基因位点的编辑提供了技术手段，在挖掘和保护地方奶山羊优秀基因资源的同时，也为地方奶山羊的畜牧生产和科学研究提供了重要的技术支撑。