角蛋白家族基因及其与动物毛发性状关系的研究进展

戴莹莹，刘 明，张希宇，胡帅帅，陈 阳，吴信生

（1.扬州大学动物科学与技术学院，江苏扬州 225009；2.泗洪县水产技术推广站，江苏宿迁 223900）

角蛋白（Keratin）是一种普遍存在于各种生物体中的非营养性蛋白，是毛发、皮肤、角的主要组成成分。一方面，角蛋白作为上皮细胞的骨架蛋白，维持表皮细胞的形态稳定与刚性；另一方面，角蛋白具有调控功能，在防止表皮损伤、创伤修复以及细胞凋亡等过程中发挥作用。角蛋白有两类，即角蛋白中间丝蛋白（Keratin Intermediate Filament，KIF）和角蛋白关联蛋白（Keratin Association Protein，KAP），前者一般用KRTn表示，后者用KAPn表示。角蛋白是组成动物毛发纤维结构的重要成分，因此在寻找控制毛皮性状的主效基因时，角蛋白基因是首选的候选基因。

角蛋白基因属于多基因家族，目前已发现的编码角蛋白的基因有50～100个。在人和小鼠上，大多数角蛋白基因都已得到克隆并在染色体上进行定位，并且证实角蛋白基因与人类皮肤病以及肿瘤形成具有相关性。在动物生产中，角蛋白基因的研究集中于以产毛性能为主的毛皮动物，如绵羊、山羊、毛兔等，以分析角蛋白基因与产毛性状的相关性为主。本文从角蛋白基因的结构、表达定位、多态性等方面对角蛋白基因的研究进展进行总结，探究角蛋白基因在分子遗传育种中应用价值，为进一步研究角蛋白基因与相关经济性状的相互关系提供理论依据。

1 角蛋白基因家族

毛发中含有KRT蛋白与KAP蛋白两类角蛋白。编码KRT蛋白和KAP蛋白的基因均是多基因家族，其中基因可分为I型（酸性）和II型（碱性）2个亚家族基因，KAP基因结构较为复杂，根据氨基酸组成与基因结构的不同，可分为23个亚家族成员（KAP1.n～KAP23.n）。

1.1 基因结构基因在哺乳动物染色体上的排列顺序及系统发育具有高度的一致性，是一类起源较早、进化比较保守的基因。其中I型的基因有8个内含子，大小在7 000～9 000 bp，II型的有6个内含子，大小在4 000～5 000 bp。KAP基因家族在染色体上成簇存在，长度一般在600～1 500 bp，整个基因只含1个外显子，没有内含子。KAP蛋白是高硫蛋白，根据氨基酸组成的不同可以分为高甘氨酸-酪氨酸角蛋白（HGT KAPs）、高硫角蛋白（HS KAPs）和超高硫角蛋白（UHS KAPs）。KRT蛋白是低硫蛋白，在不同生物中的种类与数量都有所不同，按成分与结构可分为角蛋白与角蛋白，哺乳动物中主要为角蛋白，其特点是富含半胱氨酸，角蛋白可根据半胱氨酸的含量形成不同软硬程度的角蛋白，半胱氨酸含量越多，角蛋白越硬。而鸟类和爬行动物中主要为角蛋白。KAP蛋白是毛发基质的重要组成成分，是哺乳动物特有的一类角蛋白。

1.2 基因定位 对角蛋白家族的基因定位是研究其相关功能的重要基础，随着人类基因组计划的完成，人类角蛋白家族基因已在染色体上得到定位，大致分布于3条染色体的5个区域。其他哺乳动物仅有小鼠、绵羊、兔的大部分角蛋白基因得到定位，其余动物的角蛋白家族基因的定位研究尚不完全。在绵羊中，I型与II型基因家族分别定位于11号、3号染色体，KAP家族基因大多定位于1号和11号染色体。家兔的I型和II型基因分别定为与4号和14号染色体，KAP基因主要分布在14号和19号染色体。

2 角蛋白基因多态性与毛发性状相关研究

毛发性状是哺乳动物特有的性状，动物的毛发纤维中角蛋白含量约有90%，角蛋白基因是毛皮动物相关经济性状的首要候选基因。

在羊生产上，张亚妮等和孟伟星等都采用PCR-SSCP技术研究了内蒙古绒山羊基因（与）的多态性，通过PCRSSCP检测出3个基因型：AA、AB和BB，其中AA和BB基因型与产绒量之间有显著相关性，内蒙古绒山羊中存在5个多态位点，其中和的BB基因型是产绒性状的优势基因型，可见角蛋白基因可作为产绒性状的优势标记基因型。田月珍等检测了289只细毛羊基因CDS区的多态性，筛选出5个SNP位点，基因存在3种基因型AA、AB、BB，并且不同基因型之间的羊毛细度性状有极显著差异。晏华春研究了角蛋白候选基因的遗传变异与和田羊毛长度与细度的相关性，发现4个角蛋白基因存在多态性。这些研究结果都表明角蛋白相关基因与羊毛长度和细度的相关性，角蛋白之间相互组合还能表现出优势效应，为进一步开展和田羊毛性状多基因聚合育种提供了一定的参考，并且角蛋白的相关基因可以作为羊毛细度性状的一个分子标记。

在兔生产上，张露检测了长毛兔产毛性状相关候选基因5′调控区的多态性后发现，基因的突变对长毛兔绒毛长度与粗毛纤维直径有显著影响；基因突变对长毛兔绒毛长度有显著影响；基因的突变对长毛兔粗毛长度与绒毛直径有显著影响。这3个SNP位点作用方式都为加性效应，均有望成为长毛兔相关产毛性状选育的分子标记。宦霞娟对獭兔和基因的多态性与其经济性状关联性研究后发现基因存在3个基因型，其中BB基因型的被毛密度极显著高于AA型和AB型，并且该性状的遗传相关为0.795。因此基因可作为獭兔胴体深和被毛密度性状的标记基因。众多研究表明，角蛋白家族基因的多态性与产绒量以及毛细度、长度、密度等毛发性状均有相关性，进一步作为毛发相关经济性状的候选基因参与品种选育，提高生产效率。

3 角蛋白基因的表达

毛发纤维中角蛋白占毛量的65%～95%，由KRT蛋白镶嵌在KAP蛋白的基质中，形成高度规则的纤维丝结构。其中KRT蛋白是毛发的骨架，结构与含量相对稳定；KAP蛋白是毛发的基质，不同物种乃至同一物种间结构与含量都有所差异，KAP蛋白含量的变化显示出不同的毛品质。众多研究表明，大部分角蛋白都在毛囊的皮质、表皮以及毛母质细胞中特异表达，并且不同角蛋白的表达模式与表达时间有所差异，并且这些角蛋白基因表达的差异可导致不同的毛发性状。

3.1 角蛋白基因表达与毛囊发育 毛囊是控制动物毛发生长的附属物，广泛存在于动物皮肤的表面，具有自我更新和周期性生长的特点。动物毛囊发育是一个动态过程，其最外在表现就是毛纤维的的生长，因此皮肤毛囊的发育直接影响动物毛皮的产量和品质。

刘春洁等使用组织表达序列标签（ESTs）技术筛选出与毛囊发育相关的4个角蛋白基因，这4个角蛋白基因在超细型细毛羊皮肤中的表达量极显著高于细型细毛羊，其中表达量最高。余娟娟利用基因芯片技术检测了敖汉细毛羊不同毛囊发育时期（生长期与休止期）不同部位（颈部和腹股沟部）上皮组织的基因表达差异，发现基因在生长期颈部的表达量极显著高于腹股沟部，表明这4个基因与细毛羊毛囊密度有重要联系。可见角蛋白基因与毛囊发育密切相关，在不同的毛囊发育时期有着不同的表达模式。角蛋白基因可作为毛囊发育的候选基因以研究毛囊发育的相关性状。

3.2 角蛋白基因表达与毛品质 李冰利用家兔全基因组芯片筛选了不同被毛密度獭兔的差异表达基因，结果显示与等角蛋白基因在密毛组表达上调。这些角蛋白基因的异常表达可能与皮肤毛囊发育有关，最终导致被毛密度的差异。狄江等利用表达谱芯片技术检测了细毛羊不同被毛纤维直径皮肤组织mRNA的表达差异，结果发现，与粗毛组相比，个角蛋白基因在细毛组中显著上调。康晓龙对1月龄与48月龄的滩羊皮肤组织进行转录组测序，发现众多高表达的角蛋白基因如等，这些基因涉及的信号通路参与到毛发结构的形成与生长中；进一步对基因研究发现基因在1月龄滩羊的皮肤组织中表达较高，在羊毛卷曲被毛的形成中发挥重要作用。可见角蛋白基因在毛品质中的重要性，为进一步研究角蛋白基因作为候选基因对毛品质的影响提供了依据。

3.3 角蛋白基因表达调控 Powell等分析了15个角蛋白家族基因的序列后发现，角蛋白家族基因中存在与特定的基因家族相关的保守序列，其中一个序列（CTTTGAAG）在基因的启动子上高度保守，该序列是淋巴增强因子1（LEF1）的结合位点，LEF1被认为可以形成有利于与毛发角蛋白基因启动子结合的结构域，从而促进角蛋白基因的表达。另外，大多角蛋白基因启动子区含有转录因子AP1和AP2的结合位点，AP1与AP2都参与调节毛发角蛋白基因的表达。目前学界认为动物毛发性状是多基因调控的结果，其调控机制较为复杂，可能涉及到KRT-KRT，KRT-KAP，KAP-KAP家族之间的相互作用，也可能受到其他基因的调控。由于没有合适的毛囊细胞系，有关角蛋白基因功能与表达调控的研究较少，具体的分子机制尚未明确，目前对角蛋白基因的研究以启动子区序列分析与转录因子对基因表达的调控为主。

4 小 结

目前，我国关于毛皮动物的育种仍以传统的杂交育种为主，育种周期长且效率低，不能很好地满足产业发展需求。随着现代分子生物技术的发展，动物分子育种应运而生，特别是SNP分子标记的运用，将候选基因与目的性状相关联，可以迅速地筛选出优势基因型，提高育种进程。角蛋白基因作为毛发性状的关键基因，是研究毛皮动物产毛性状及其相关调控机制的热点基因。通过研究皮肤与毛发中角蛋白基因的组成及其多态性，作为标记基因用于优良毛皮性状的选育，对于毛皮动物的遗传育种具有重要意义。因此，对毛皮动物角蛋白基因的定位、多态性与毛皮性状的关联性以及相关的表达调控机制仍有待进一步研究。