羊绒、羊毛品质相关基因研究进展

胡 姗,苗晓茸,霍永智,刘柯柯,胡忠昌

(榆林市羊产业发展中心,陕西 榆林 719000)

羊绒、羊毛是羊的主要经济产物之一,其性状如纤维直径、纤维长度、弯曲度和柔软度等决定了绒、毛的价值,在育种过程中提高绒毛品质具有重要意义。绒毛品质的影响因素有遗传、营养水平、饲养环境、年龄、性别等因素。近年来,针对绒山羊、绵羊不同细度绒、羊毛的蛋白组分、含量、结构以及相关基因表达调控等方面进行了广泛研究并取得了重大进展[1]。研究表明角蛋白中间丝蛋白(KRTs)基因、角蛋白联合蛋白(KRTAPn)基因、同源框(HOX)基因、成纤维细胞生长因子5(FGF5)基因是控制绒毛生长发育性状的主效基因,起着不可或缺的作用。本文综述了近年来关于这些基因以及非编码RNA(ncRNA)对绒毛品质的调控作用,为进一步促进中国羊绒产业发展提供参考。

1 KRTs基因

羊毛纤维中角质层占90%以上,角质层由角蛋白组成,角蛋白由角蛋白联合蛋白(keratin-associated proteins,KAPs)和角蛋白中间丝蛋白(intermediate filament proteins,IFPs)交叉连接形成。IFPs编码基因按照基因簇和所在染色体命名为KRTs,KAPs蛋白编码基因按照基因簇和所在染色体命名为KRTAPn。在毛囊生长发育过程中,KRTs和KRTAPn基因依次表达,后经过角质化等复杂的过程形成羊毛。羊KRTs基因目前共发现17个,被命名为KRT31～40,KRT81～87[1]。

IFPs在不同品质羊毛中的含量相对稳定,因此IFPs蛋白含量与基因表达的研究很少。主要研究不同KRTs基因或者KRTs基因突变对羊毛性状的影响。不同IFPs蛋白在毛囊不同部位表达,KRT31、KRT33、KRT34、KRT36、KRT38～39、KRT81、KRT83和KRT86～87基因的转录本在皮质层表达,KRT40、KRT82和KRT84在角质层中表达,KRT32、KRT35和KRT85在角质层和皮质层均有表达[2]。研究发现,绵羊KRT36和KRT38突变体与羊毛卷曲度显著相关[3]。绵羊KRT83是最先表达且影响羊毛生长发育的重要基因,其高水平表达的转基因绵羊羊毛纤维在光泽和柔韧性方面都有所提升,微观和宏观结构均发生显著改变[4-5]。多个绵羊KRT31基因突变体与羊毛长度、净绒重、油脂绒重存在显著性差异[6]。美利奴羊和新西兰罗姆尼羊的KRT34基因变异体与纤维直径和长度存在相关性,可能是潜在的提高羊毛质量的标记[7]。这些研究表明KRTs基因与羊毛弯曲、粗细、长度等性状密切相关。

2 KRTAPn基因

KAPs的含量、种类和分布影响着羊毛的理化特性,其命名和分类较为复杂。目前主要依据半胱氨酸含量进行分类,将KAPs分为高甘氨酸-酪氨酸蛋白(high-glycine-tyrosine KAPs,HGTPs)、高硫蛋白(high-sulfer KAPs,HSPs)、和超高硫蛋白(ultra-high-sulfur KAPs,UHSPs)3个家族,且在皮质细胞中三者依次表达,但该方式并不足以描述KAPs家族的复杂性和多样性[8]。大量研究表明KAPs可以影响羊毛细度、长度、产量等羊毛性状。

2.1 HGTPs

HGTPs蛋白主要包括KAP6～8和KAP18～22蛋白。HGTPs家族是从不同性状羊毛中分离出的主要差异蛋白,因此备受关注,其中KAP6～8蛋白研究最多[1]。在内蒙古阿尔巴斯白绒山羊胚胎期,KAP6 mRNA在初级毛囊和次级毛囊的皮质层有强烈的表达信号,提示KAP6直接参与调控绒毛和粗毛的合成[9]。在辽宁绒山羊毛囊生长退行期,KAP7.1、KAP8.2在次级毛囊中的表达量显著低于初级毛囊,与兴盛期表达量相反,提示KAP7.1、KAP8.2还可能对毛囊周期性变化和绒细度有重要的调控作用[10]。萨福克羊与中国美利奴羊的羊毛纤维直径及自然长度差异极显著,王晶晶等[11]研究发现KRTAP6、KRTAP7和KRTAP8基因在萨福克羊皮肤组织中表达水平高于中国美利奴羊,与羊毛纤维直径存在极显著的高度正相关,与羊毛自然长度呈现显著的中等负相关。Matsunaga等[12]研究发现KAP8.1与K85的头部结构域特异性结合,该结构域围绕中间丝的轴螺旋排列,与羊毛卷曲性状相关。这些研究说明KAP6～8基因的表达水平可以影响羊毛纤维直径、自然长度、卷曲等性状,可以作为研究羊毛纤维直径、自然长度的候选基因。

大量研究表明,HGTP基因的突变会影响羊毛纤维直径、长度、卷曲等相关的性状,对不同品种羊的作用也不同。滩羊有两种KRTAP6-1新变异体D和E,变异体D与出生时伸直纤维长度增加有关,变体E与产后约35 d伸直纤维长度、卷曲数和卷曲程度增加有关[13]。Sallam等[14]发现巴基羊KRTAP6.1的3种基因型GG、GC和CC型中,CC基因型可以产出更多、更长、更细的羊毛。绒山羊KAP6-1发现A、B、C 3种变异体,变异体A与纤维直径减少有关,C与纤维长度减少有关[15]。绵羊KRTAP6-3基因发现存在7种基因型,基因型为AB、AA、AG羔羊的平均纤维直径依次降低,且差异极显著,含有等位基因G的绵羊的羊毛平均纤维直径下降显著[16]。在陕北白绒山羊、太行黑山羊和南疆绒山羊3个群体中,发现了KAP7基因的AA和AB 2个基因型,AA基因型为优势基因型[17]。和田羊KAP7基因也被发现具有多态性,存在AA、AB和BB 3种基因型,且不同基因型之间羊毛长度差异显著[18]。内蒙古绒山羊KAP8.1基因发现有由A、B、C 3个等位基因编码的6种基因型,不同基因型与绒重、绒长和毛长的相关性存在显著差异[19]。西藏绒山羊KAP8.2基因发现有6种带型,其中基因型1的个体产绒量显著高于基因型3的个体[20]。在新西兰罗姆尼羊中发现KRTAP22-1基因变异构成的2个等位基因(A、B),其中优势等位基因为B(81.3%);美利奴杂种羊KRTAP22-1基因则有3个等位基因(A、B、C),其优势等位基因为A(51.8%),而等位基因B的存在与较高的净毛率和较低的平均羊毛卷曲率相关[16]。李少斌等[16]研究发现美利奴杂种羊KRTAP21-2基因有4个SNPs形成5个等位基因(A、B、C、D、E),基因型为AC的羔羊平均羊毛长度显著大于CE,基因型为CE的羔羊纤维直径变异系数显著高于CC和BC,提示等位基因E的存在会降低羊毛长度。另外,在柴达木黑山羊、子午岭黑山羊等4种山羊中发现了KRTAP22-2变异构成的3个等位基因(A、B、C),AA和AB为优势基因型,但该变异未在美利奴杂种羊和新西兰罗姆尼羊中发现,说明KRTAP22-2基因在绵、山羊中的多态性存在较大差异[16]。

2.2 HSPs

HSPs蛋白主要包括KAP1～3、KAP10～16和KAP23蛋白。HSPs是羊毛纤维的重要组成蛋白之一,其以严格的时空表达模式在毛发纤维角质化过程中被激活。王春生等[21]研究发现KAP1.3编码基因KRTAP1.3的启动子具有种属特异性或时间特异性,KRTAP1.3仅在绵羊成纤维细胞中表达,而在小鼠细胞中不表达。HSPs基因的表达和多态性对羊绒、羊毛的品质性状有着重要的影响。在陕北白绒山羊、太行黑山羊和南疆绒山羊中,KAP1-4基因均存在AA、AB 2个基因型,AA基因型为优势基因型[17]。陇东绒山羊中KRTAP2-1发现了7个等位基因(A、B、C、D、E、F、G),等位基因C的存在与较小的羊绒纤维直径相关[22]。KRTAP3.3、KRTAP13.1和KRTAP11.1基因在毛囊中高度特异性表达,前2个基因在绵羊毛囊中的表达量均显著高于皮肤[23-24]。辽宁新品系绒山羊的KAP11.1和KAP26.1基因在毛囊生长退行期时在初级毛囊的表达量显著高于次级毛囊,在兴盛期则相反,其中KAP26.1与KAP13.1、KAP15.1具有较高的同源性,特异性表达于皮肤内根鞘[25]。在绵羊中发现KRTAP26-1存在7个SNPs形成的4个等位基因(A、B、C、D),含有等位基因C的绵羊平均纤维直径较低,净毛率和平均羊毛长度较高;含有等位基因B的绵羊平均纤维直径较高[16]。这些研究充分说明,HSPs基因的表达和变异与细度、长度、净毛率和卷曲率等羊毛性状密切相关。

2.3 UHSPs

UHSPs蛋白主要包括KAP4、KAP5、KAP9和KAP17。目前对于羊KAP4、KAP5、KAP17蛋白的功能和基因表达研究非常少,KAP9蛋白的研究相对较多。研究发现内蒙古白绒山羊、陕北白绒山羊和奶山羊的KAP9.2基因在286位均存在T/C突变,T和C等位基因的频率在绒山羊和奶山羊中差异显著,C等位基因为绒山羊的优势基因,揭示该等位基因可能与绒性状有关[26]。在高产和低产绒量陕北白绒山羊皮肤组织中KAP9.2基因在羊绒生长期极显著低于休止期,提示KAP9.2基因可能对羊绒生长具有抑制作用[27]。但张丹等[28]研究发现西藏绒山羊的KAP9.2基因mRNA表达水平在高海拔地区(2 500～4 500 m)显著高于特高海拔地区(4 500～5 500 m),而高海拔地区平均产绒量340 g/只,高于特高海拔地区325 g/只,推测该基因可能促进绒毛的生长,KAP9.2基因对不同品种羊的羊绒生长可能有不同的作用,需要进一步研究。

3 HOX基因

HOX基因是存在于真核生物中的一段约180 bp高度保守的DNA序列,其表达的蛋白是一类转录调节因子,参与调解细胞分化﹑代谢、受体信号转导等生理机制。近年来,HOX基因在羊毛囊生长发育中的作用引起了人们的关注。研究发现在绒山羊中,HOXA4、HOXA5、HOXA6基因分别在胚胎期和兴盛期毛囊的不同部位表达[29],HOXC13基因在表皮和外根鞘中表达,在毛发生长初期的表达水平低于毛发生长末期,在高绒产量个体的表达低于低绒产量个体,其表达量与次级毛囊活性周期显著相关[30-31]。在陕北白绒山羊毛乳头细胞中过表达HOXC13基因,可以激活KRT38、KRT84基因启动子的转录活性,与Foxn1存在互作关系,揭示HOXC13基因调控角蛋白表达的分子机制[32]。在西藏绒山羊中发现了HOXC13基因第二外显子区域的2个SNPs位点,均与平均纤维直径呈极显著相关[33]。另外,郝斐等[34]研究发现HOX家族中的MSX2基因能提高阿尔巴斯绒山羊真皮毛乳头细胞增殖力。这些研究表明HOX基因在绒山羊毛囊生长发育过程中扮演着重要的角色,对羊绒产量和细度等性状有重要的影响。

4 FGF5基因

FGF5蛋白在哺乳动物毛囊生长中具有重要功能,是毛发生长的关键调节因子,可诱导毛囊退化。大量研究发现FGF5基因可以抑制羊绒、羊毛生长。FGF5基因敲除绵羊的羊毛长度显著增加[35]。FGF5基因敲除和VEGF在FGF5位点定点整合(高表达VEGF的同时降低了FGF5的表达量)的基因编辑绒山羊,其次级毛囊的数量和平均直径均显著增加,绒毛生长速度显著加快,绒毛长度和产绒量显著提高[36-37]。苏博美利奴羊群体中的FGF5基因Exon 3区发现有DD、EE、FF、DE和EF 5种基因型,FF基因型个体在产毛量指标上显著高于DD基因型[38]。Guo等[39]在长绒和短绒西藏绒山羊间发现1个SNP存在很大差异,该位点的突变引入了导致早熟FGF5蛋白出现的起始密码子,这种差异与绒山羊长毛表型相关。张瑞国等[40]在陇东绒山羊FGF5基因的第1外显子区发现1个同义突变位点c.272C>T,表现为MM、MN和NN,携带等位基因N的个体的羊绒纤维直径显著低于不含等位基因N的个体。这些研究表明FGF5基因的表达和多态性影响绒山羊、绵羊纤维细度和长度等性状,也为产绒、产毛品种羊的优化改良和促进羊绒、羊毛产业发展提供了思路。

5 ncRNA

近年来,有关ncRNA调控羊绒生长的研究越来越多。miRNA是一类长度为20～24 nt的内源ncRNA。Yuan等[41]在绒毛的生长期、退化期和休止期中发现可识别的microRNA有399个,其中326个microRNA在3个生长阶段均有表达,但是在生长期、退化期和休止期分别有3、12和11个特殊的microRNA表达。Zhang等[42]发现Chi-miR-30b-5p在毛囊静止期高表达,可通过靶向CaMKIIδ抑制真皮乳突细胞增殖。付雪峰等[43]在粗绒型和细绒型西藏绒山羊皮肤组织中筛选获得12个差异表达miRNAs,其中5个miRNAs在细绒型西藏绒山羊皮肤组织中显著上调表达,7个miRNAs显著下调表达,提示西藏绒山羊的绒细度可能受不同miRNAs调控。目前,已发现miR-203、miR-31、miR-196a、miR-196b、miR-195、miR-150、miR-151、Chi-miR-30b-5p等大量的miRNA与毛囊的生长周期和生长发育相关,涉及Wnt、BMP等多种信号通路的调控[42,44]。

环状RNA(CircRNA)是具有共价闭合环状结构的内源性ncRNA。CircRNA具有独特的圆形结构,在大多数真核生物中非常稳定。孙家明[45]研究发现,与内蒙绒山羊皮肤相比,辽宁绒山羊中有17个上调的CircRNA和15个下调的CircRNA,说明CircRNA可能参与调节羊绒细度。其中,CircRNA128的宿主基因TCHH基因外显子上有G112A、G287T、A585T和A555G 4个SNP变异位点,前3个位点的突变可以降低产绒量,最后1个位点的GG基因型突变可以显著提高产绒量(4.5%)。Yin等[46]研究发现,CircRNA-1926可通过作用于miR-148a/b-3p来增强细胞周期蛋白依赖性激酶19的表达,从而促进绒山羊次级毛囊干细胞的分化。这些研究表明ncRNA在绒毛生长发育中起着关键的作用。

6 其他与绒毛品质相关的基因

目前,如血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)、Wnt蛋白、骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein,BMP)、胸腺素β4(Tβ4)、褪黑素等大量蛋白及其编码基因被发现与羊绒、羊毛生长发育有重要的作用。如在绒山羊皮肤中VEGF的高表达可显著提高羊绒产量[47]。Wnt/p-catenin信号通路能够加快绒山羊绒毛的生长,且与绒毛周期性再生有密切的关系[48]。在不同花纹湖羊的研究中发现,小花纹湖羊BMP7基因相对表达量与其初级毛囊直径、次级毛囊数呈显著正相关,而中花纹湖羊BMP7与其初级毛囊直径、次级毛囊数呈显著负相关,说明BMP7可能参与调控毛囊生长发育[49]。在绒山羊中Tβ4可以促进次级毛囊毛乳头细胞的增殖能力,可与KRT4互作影响绒山羊毛囊生长发育及产绒性能改善[50]。在研究藏西北绒山羊时发现褪黑激素能极显著提高周岁羊的产绒量、绒毛长度和次级毛囊密度[51]。

7 结 语

随着分子遗传学的发展,许多影响绒毛品质的基因不断被发现,研究这些基因的遗传特征和表达机制可以为遗传育种建立准确可靠的理论基础。随着单碱基基因编辑系统和CRISPR/Cas9等技术的发展,通过对绒山羊和绵羊进行基因编辑,可以调控这些基因的表达来影响表型,从而提高绒毛产量和绒毛品质,加速遗传育种进展。