牛羊泌乳性状相关基因研究进展

陈嘉玥，李奇隆，肖晨彤，孙彦鹏，雷初朝，党瑞华

(西北农林科技大学动物科技学院，陕西 杨凌 712100)

引言

牛羊泌乳性状作为家畜经济性状的重要组成部分之一，泌乳性能的高低和乳产品品质与企业生产效益和生产成本息息相关，对畜牧业的经济发展有着直接的影响[1]。哺乳动物的泌乳特性是数量性状，由主效基因和多种微效基因共同调控，并且会受到动物的疾病预防、饲料质量、饲养管理以及其他各种环境因素的影响[2]。遗传因素作为最主要的影响因素，基因的作用影响很大，对于牛羊的泌乳性状，候选基因也有很多，它们之间也有一定的关联性，比如k-酪蛋白基因(k-CN)、三磷酸腺苷结合转运蛋白G超家族成员2基因(ABCG2)、骨桥蛋白基因(OPN)、垂体特异性转录因子(POU1F1)等多个基因都与牛羊的泌乳性状呈显著相关[3]。

随着近年分子生物学手段的飞速发展，更多的基因被发现与泌乳性状密切相关，可作为泌乳性状分子标记的候选基因。对这些基因的相关研究能够有效避免如世代间隔时间长、改良效率低、优良种质资源浪费等现如今畜牧业所面临的问题。目前，研究已发现多个影响牛羊泌乳性状的基因，本文综述了近些年研究较多的基因及其与泌乳性状的关系。

1 牛泌乳性状相关基因

1.1 Leptin基因

Leptin，又名肌肉瘦素，是由肥胖基因进行编码，后由脂肪细胞进行分泌的细胞因子，该基因包含有三个外显子和两个内含子，广泛地参与了牛体的能量新陈代谢、神经功能代谢活动和生殖功能代谢活动。研究发现，Leptin基因不仅影响牛的繁殖能力，还参与调控乳蛋白、乳脂率及产奶量等性状。徐凯勇等人利用PCR-RFLP的基因分析方法对此进行了研究，通过对荷斯坦奶牛的Leptin基因外显子2序列E2JW和E2FB位点进行的突变检测，发现了影响荷斯坦奶牛泌乳学系统的功能的两个重要标记是Leptin基因的E2JW和E2FB位点[4]。Liefers等人通过相关研究发现对Leptin基因的第二个内含子实施C/T转换可以有效提高奶牛的产奶量[5]。Linda等人发现：LEP-1609、LEP-1457、LEP-580以及LEP-2470等与奶牛的乳蛋白量显著相关[6]。

1.2 k-酪蛋白基因(k-CN)

k-酪蛋白(Kappa-casein，k-CN)是乳腺神经组织皮质上皮基因所分泌的两种磷脂酪蛋白之一，编码k-CN的基因位于牛的第6号染色体上[7]，k-CN蛋白在牛奶中的含量约占总酪蛋白的百分之十二，对奶牛的泌乳性能、奶酪中营养物质和品质等均具有重要的影响[8]。Tsiaras等人通过研究发现奶牛k-CN基因中的AB基因型转化乳蛋白分子数量和转化乳蛋白率均高于AA基因型[9]，极有可能使得乳牛细胞具有较高细胞生长率和较高产奶量的能力，BB基因型也会有更高的产奶量[10]。鞠志花等人发现k-CN基因多态性对牛的产奶量、乳脂率和乳蛋白率均显著相关[11]。赵国丽等人研究发现k-CN基因中第五个外显子突变后荷斯坦奶牛的乳脂率和体细胞数均会有相应变化[12]。

1.3 三磷酸腺苷结合转运蛋白G超家族成员2基因(ABCG2)

属于ATP-binding cassette(ABC)超家族成员的三磷酸腺苷结合转运蛋白G超家族成员2(ATP-Binding Cassette superfamily G member 2,ABCG2)是一类乳腺癌细胞耐药转运蛋白(BCRP)[13]。编码该蛋白的基因位于牛的第6号染色体，包括16个外显子和15个内含子。研究发现，ABCG2与牛的乳脂率和产奶量有一定的关系，路国彬等人将ABCG2基因中的外显子14上的R579Q (G/A)突变后发现该基因与奶牛的产奶量和低乳蛋白量显著相关(P<0.05)[14]。Yue等人发现ABCG2基因的BB基因型与高产奶量和高蛋白食物生成的速度显著关联，与低乳蛋白率显著相关[15]。同时，Tantia等人在印度奶牛体内蛋白进行临床研究时已经发现在ABCG2基因序列中的等位基因Y与高乳蛋白脂肪比率、低乳脂肪蛋白的生物代谢率之间仍然具有一定的联系[16]。

1.4 骨桥蛋白基因(OPN)

骨桥蛋白基因(Osteopontin,OPN)是一种广泛存在于细胞外基质中的糖基化蛋白。OPN位于牛的第6号染色体，具有6个外显子[17]。研究表明骨桥蛋白基因与牛的泌乳性能和繁殖能力等存在显著相关。Conhen等人通过研究发现OPN基因在牛中存在连锁不平衡效应，此效应对奶牛的乳蛋白率影响显著[18]。Schnabel等人将OPN基因启动子的上游位点进行突变处理后发现奶牛的产奶量和蛋白率均有显著变化[19]。另外，Leonard等人发现OPN基因的变异能显著影响奶牛体内的高乳蛋白比率和低乳脂水平[20]。

1.5 乳铁蛋白(LF)

广泛存在于多种体液中的乳铁蛋白(lactoferrin,LF)又称乳转铁蛋白，属于转铁蛋白家族。LF基因先后从牛和人的乳汁中分离出，通过分析发现此基因具有抑菌、抗病毒、抗感染、调节自身免疫力以及中和内毒素的作用[21-22]。王梦琦等人研究发现，在乳铁蛋白基因5'非翻译区的LF-28A>C位点极显著的影响了奶牛的日产奶量、乳脂率、蛋白率和乳糖含量，同时极显著地改善了奶牛的泌乳性能，并且还有延长生产寿命的功效[23]。陈仁金等人利用PCR-SSCP技术对中国荷斯坦牛的LF基因第一个外显子的遗传多态性进行了检测，发现其遗传多态性与泌乳性状呈显著相关[24]。

2 羊泌乳性状相关基因

2.1 催乳素(PRL)

由垂体前叶腺嗜酸细胞分泌的催乳素(Prolactin,简称PRL)是一种蛋白质激素，在泌乳过程中起着重要作用。同时，催乳素还是专门研究乳腺中产奶流动速度变化和产奶量变化的一种功能性候选基因[25]，同时它不仅能够刺激乳腺的生长,也有利于进行持久性的产奶。PRL基因位于绵羊染色体的第二十区域，其有关数量性状的基因位点可以影响奶羊的产奶量和乳脂率等性状，因此常常用PRL作为产奶量和乳成分的位置标记基因。研究发现，催乳素基因的多样性也会导致泌乳性能的变化[26]。PRL与催乳素受体(PRLR)结合发挥作用[27]，属于细胞因子受体家族成员的PRLR的多态性对奶羊产奶量和乳蛋白等性状有一定的影响。杨若晨等人通过RT-qPCR方法检测哺乳期母羊L-PRLR及S-PRLR的相对表达量, 在小尾寒羊母羊泌乳期及断奶后的乳腺组织中发现S-PRLR的表达量显著高于L-PRLR的表达量，并且L-PRLR的表达量在哺乳前期显著高于哺乳后期[28]。

2.2 信号转导及转录激活因子5基因(STAT5)

信号转导及转录激活因子5又被称为乳腺因子[29]，最早发现于绵羊中[30]。STAT5包括氨基酸序列高度相似的STAT5A和STAT5B两种亚型。研究结果表明，STAT5对于乳腺发育十分重要，STAT5蛋白的缺失会造成奶羊的乳腺发育不良，同时，其乳汁内分泌能力也有一定程度的减弱。王娅娜等人发现奶山羊的STAT5A基因突变会减少其泌乳量[31]，刘园峰研究发现奶山羊的STAT5A基因不仅与产乳量有关，而且与奶山羊体重、体长和胸围等性状均有显著影响[32]。

2.3 垂体特异性转录因子(POU1F1)

作为第一个被鉴定的垂体转录因子的垂体转录因子1(pituitary transcription factor 1,POU1F1)属于POU蛋白家族。该序列基因位于绵羊1q21-22染色体上，包含6个外显子和5个内含子[33]。研究表明，POU1F1与奶山羊的生长性状和产奶性状关系紧密。Huang 等人发现POU1F1外显子3上的SNP位点与产乳量显著相关[34]。Lan等人对山羊POU1F1基因的遗传变异进行研究，发现POU1F1基因可以作为山羊优良产奶性能的分子标记[35]。蓝贤勇等人通过PCR-RFLP研究POU1F1-E6H 多态性，最终发现该基因有多种途径可参与山羊产奶性状的调控机理[36]。

2.4 β-乳球蛋白 (LGB)

β-乳球蛋白(LGB)属于中性脂质细胞运载乳球蛋白第一家族，拥有多种不同化学性质的小乳球蛋白质。综合前期研究报道可看出该蛋白在绵羊的生长发育以及泌乳性状等方面均有一定的影响。β-乳球蛋白在羊的不同品种中具有多态性，有A、B、C三个共显性等位基因，研究发现，这三种不同的基因型对绵羊的产奶量、乳脂率和乳蛋白含量影响有较大的差异，F．Schmoll等人发现具有AA基因型的贝利切河谷羊产奶量较高[37]；同样，Giaccone等人发现AA基因型的东弗里升羊在第一个泌乳期产奶量最多，而BB基因型产奶量在之后的泌乳期中产奶量较多[38]。Yousefi等人发现AB基因型的美利奴和萨拉丁绵羊的产奶量较高[39]。AA基因型的萨拉丁羊产奶量明显低于AB基因型的产奶量，AB基因型的本土扎列绵羊表现出较高的乳脂和乳糖含量[40]。

2.5 表皮生长因子受体(EGFR)

表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptor)，简称EGFR，是位于山羊22号染色体上，包括28个外显子的受体蛋白。研究表明，EGFR蛋白参与了雌性乳腺的发育，通过与双调乳腺蛋白结合，可以有效地激活乳腺的雌性素和雄激素的分泌通路，进而有效提高了奶羊乳腺发育的程度[41]。南雪梅研究发现EGFR可以有效促进动物乳脂的合成，减少乳蛋白合成[42]。Bolander 等人研究发现EGFR也可以通过启动山羊的JAK/STATS通路来调控蛋白质的表达，进而利于合成乳蛋白，从而促进了山羊的泌乳功能。[43]

3 小结

大量的研究成果表明，牛羊的泌乳性状主要是由多种基因共同调节和控制的，不同基因的作用对象不同。关于牛的泌乳性能方面：LEPTIN基因中内含子2上的C/T转换过程可以大幅提高奶牛个体的生长和产奶量；k-CN中的AB基因型可以有效地提高奶牛的乳蛋白量和乳蛋白率；ABCG2基因中的等位基因Y有利于大幅地提高牛体内的优质高乳脂率。一般来说，高产奶量的奶牛品种往往伴随着较低的乳脂率，而其他低产奶量的品种或乳肉兼用的品种则乳脂率较高，所以，对于ABCG2基因的进一步研究或许可以为奶牛的遗传改良提出新的思路；OPN的突变可以引起奶牛高乳蛋白率和乳脂率的变化；LF基因可作为提高奶牛泌乳的候选基因。关于羊的泌乳性能方面：PRL可作为产奶量和乳成分的位置标记基因，对奶羊的遗传育种具有很大的指导意义；PRLR基因在小尾寒羊母羊泌乳期及断奶后的乳腺组织中发现L-PRLR显著低于S-PRLR的表达，能够进一步增加产奶量，但此基因可能存在品种特异性；STAT5A基因的增加可以提高奶羊的泌乳量，主要在乳腺发育过程中发挥调控作用；POU1F1外显子3上的SNP位点的突变可以引起奶羊的产乳量显著变化；LGB基因中AA基因型的贝利切河谷羊产奶量较高，BB基因型产奶量在之后的泌乳期产奶量较多，其次，该基因在东弗里升羊、本土扎列绵羊、美利奴和萨拉丁绵羊中都表现出和泌乳性能极高的关联性，主要体现在产奶量、乳脂率、乳糖和乳蛋白含量上；EGFR基因可以促进山羊乳脂合成，减少乳蛋白合成，此基因与乳腺发育高度相关，关于乳腺病理方面有待后续进一步研究发现。

目前已针对泌乳性状开发出一系列的分子标记，在泌乳性状的检测、分子育种方面起着重要的指导作用。

4 展望

近年来，随着现代先进的分子生物技术发展迅速，有关牛羊泌乳性状的基因研究取得了颇为丰硕的成果。研究基于与牛羊泌乳的关系，其目的就是通过对候选基因进行遗传变异的筛选进而来改良牛羊等家畜的产奶性能。而目前利用分子标记技术以及DNA分析检测技术可以更深入地研究牛羊的泌乳性能，同时为后期保护种质资源、加快牛羊遗传改良以及促进相关行业发展奠定了一定的基础。