楊 韓, 張陽海, 潘傳英, 雷初朝, 陳 宏, 藍賢勇

(西北農(nóng)林科技大學(xué)動物科技學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

垂體特異性轉(zhuǎn)錄因子(pituitary specific transcription factor，POU1F1，又叫PIT-1或GHF-1)是POU(Pit-Oct-Unc)家族成員之一，在垂體前葉特異性表達，是重要的組織特異性轉(zhuǎn)錄因子[1]。POU1F1具有高度保守的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域，通過識別并結(jié)合催乳素(prolactin，PRL)、生長激素(growth hormone,GH)和促甲狀腺素β亞基(thyroid-stimulating hormone beta subunit，TSHβ)基因啟動子中特異的DNA序列，對這些基因起正向調(diào)控作用，從而對哺乳動物生長發(fā)育等方面起著重要作用[2]。研究表明，POU1F1基因突變會導(dǎo)致垂體發(fā)育不全，造成動物體內(nèi)PRL、GH、TSH激素的缺乏，從而阻礙動物生長發(fā)育。在小鼠上，POU1F1基因突變導(dǎo)致Snell矮小型(dw)和Jackson矮小型(dw-J)出現(xiàn)[3]；同時，人POU1F1基因突變會導(dǎo)致聯(lián)合性垂體激素缺乏癥(combined pituitary hormone deficiency，CPHD)，患者發(fā)育遲緩，生長出現(xiàn)明顯障礙[4]。

此外，有大量研究報道了POU1F1基因多態(tài)性與牛、山羊、綿羊等反芻動物的生長性狀之間存在顯著關(guān)聯(lián)[5-7]。以上研究表明POU1F1基因?qū)τ诜雌c動物生長、繁殖及泌乳等具有重要的調(diào)節(jié)作用，據(jù)此，本文主要就牛羊等反芻動物POU1F1基因結(jié)構(gòu)及生物學(xué)特性、基因多態(tài)性及其與經(jīng)濟性狀關(guān)聯(lián)研究等進行綜述。

1 反芻動物POU1F1基因的結(jié)構(gòu)特征及其生物學(xué)特性

牛、綿羊和山羊POU1F1基因均定位于1號染色體的q21-22區(qū)[8]。該基因結(jié)構(gòu)高度保守，一般由6個外顯子，5個內(nèi)含子及其他相關(guān)DNA元件組成(圖1)。POU1F1基因表達于動物的垂體前葉細胞，其表達產(chǎn)物POU1F1蛋白包含3個重要的功能區(qū)，其一是含129個氨基酸的N端區(qū)，其二是含142個氨基酸的POU蛋白區(qū)，其三為含20個氨基酸的C端區(qū)；其中POU結(jié)構(gòu)域的主要功能是識別DNA特異順序，并與之呈高親和力結(jié)合，從而啟動靶基因轉(zhuǎn)錄，該區(qū)又可分為POU同源區(qū)(POU-homeo domain，POU-HD)及POU特異區(qū)(POU-specific domain，POU-SD)兩部分[9]。

POU1F1是垂體生長激素(GH)細胞，催乳素(PRL)細胞以及促甲狀腺素(TSH)細胞內(nèi)基因轉(zhuǎn)錄的重要調(diào)節(jié)者，能特異地識別基因上的DNA序列，并與之結(jié)合，進而影響相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄，最終影響家畜生長、繁殖及泌乳等各個方面。據(jù)此，該基因的多態(tài)性及其在家畜育種工作上應(yīng)用研究成為國內(nèi)外諸多學(xué)者研究重點。國內(nèi)外研究表明，POU1F1基因多態(tài)性對牛的體重、產(chǎn)奶量等生產(chǎn)性狀有顯著影響[10-11]，對羊的產(chǎn)羔數(shù)、體重、產(chǎn)奶量、產(chǎn)絨量等性狀有顯著影響[12-15]。因此，對POU1F1基因調(diào)控機制的深入研究對于提高牛羊等反芻動物生產(chǎn)成績至關(guān)重要。

圖1 反芻動物POU1F1基因結(jié)構(gòu)特征及其生物學(xué)特性示意圖

2 反芻動物POU1F1基因多態(tài)性研究進展

2.1 牛POU1F1基因多態(tài)性與經(jīng)濟性狀的關(guān)聯(lián)研究

此前國內(nèi)外許多學(xué)者以POU1F1基因作為牛生產(chǎn)性狀選育改良的候選基因之一，圍繞基因多態(tài)位點與經(jīng)濟性狀的關(guān)系開展了大量研究。20世紀90年代，國外最先開始對牛POU1F1基因多態(tài)性進行挖掘。1994年，Woollard等[16]首次報道牛POU1F1基因第6外顯子遺傳變異位點，發(fā)現(xiàn)了可被HinfI內(nèi)切酶識別的SNP位點。2000年，Woollard等[8]進一步將牛POU1F1基因定位于lq21-22區(qū)域，為進一步探究該基因?qū)εＩa(chǎn)性狀的影響打下基礎(chǔ)。最近于2018年，Pytlewski等[17]在Holstein-Friesian牛POU1F1基因第6外顯子上掃描到1個SNP位點(c.1178G>A)，統(tǒng)計分析結(jié)果表明該位點與體重、初配年齡、產(chǎn)后休息期、受胎率、產(chǎn)犢后奶牛體重、初生重等顯著相關(guān)(P<0.05)。同年，Thuy等[18]在Holstein-Friesian牛第2外顯子和第3外顯子上分別檢測到SNP位點c.545G>A和c.577A>C；相關(guān)性分析表明，c.545G>A位點與產(chǎn)奶量顯著相關(guān)(P<0.05)，而c.577A>C位點則不存在相關(guān)性(P>0.05)。目前為止，關(guān)于POU1F1基因的研究在牛上做了包括Fleckvieh牛、Montbeliarde牛、南陽牛、秦川牛、郟縣紅牛、中國荷斯坦牛、魯西牛、安格斯牛、晉南牛、固原牛、Holstein-Friesian牛、Nellore牛、Hanwoo牛、Canchim牛、Zebuine牛、皮埃蒙特牛、新疆褐牛、申扎、類烏奇、斯布、帕里共21個品種，共檢測了10個SNP位點與牛的體重、體高、體長、體斜長、胸圍、腹圍、產(chǎn)奶量、乳蛋白含量、乳脂含量、生產(chǎn)壽命、背膘厚、初生重、斷奶前平均日增重、料肉比、胸深、胸寬、初配年齡、產(chǎn)后休息期、受胎率、產(chǎn)犢后母牛體重等20個性狀相關(guān)聯(lián)，其中大部分研究集中于POU1F1基因第6外顯子區(qū)域多態(tài)性(表1)。根據(jù)現(xiàn)有研究，發(fā)現(xiàn)位于第6外顯子上的HinfI位點在各個品種牛的基因組上均廣泛存在，且與多個生長性狀及泌乳性狀相關(guān)聯(lián)，提示該位點可作為潛在的分子標記進行優(yōu)良牛種選育。另外，目前的研究多集中于奶牛、黃牛等常見牛種上，而屬于青藏高原及其毗鄰高寒牧區(qū)特有的牦牛上研究卻較少。作為高寒地區(qū)重要的品種，應(yīng)加強對POU1F1基因多態(tài)性的研究，對提高牦牛的生產(chǎn)性能具有重要意義。

2.2 山羊POU1F1基因遺傳變異與經(jīng)濟性狀的關(guān)聯(lián)研究

2000年，Woollard等[8]將山羊POU1F1基因定位于1q21-22區(qū)域。在此基礎(chǔ)上，國內(nèi)最先就山羊POU1F1基因多態(tài)性及其與生產(chǎn)性狀的關(guān)系開展了大量研究，而國外對此鮮有報道。2007年，Lan等[12-13,32-33]首次報道山羊POU1F1基因外顯子6及其3′-UTR區(qū)域多態(tài)性(AluI、PstI和DdeI位點)對產(chǎn)奶量、產(chǎn)羔數(shù)和產(chǎn)絨性狀等生產(chǎn)性狀的影響。2009年，Lan等[34]對內(nèi)蒙古白絨山羊群體中POU1F1基因上未報道的外顯子1～5和5′UTR區(qū)域的遺傳變異情況進行了篩選，共發(fā)現(xiàn)12個SNP位點(表2)；進一步分析表明，這些多態(tài)位點對產(chǎn)絨量和羊絨纖維長度有顯著的影響。2012年，F(xiàn)eng等[7]在5個中國本地山羊品種上檢測到6個突變，包括第3外顯子C256T、第3內(nèi)含子C53T和T123G，第6外顯子G682T(A228S)、T723G和C837T，分析結(jié)果初步表明濟寧灰山羊POU1F1基因C256T和G682T位點的T等位基因與高產(chǎn)羔數(shù)之間存在顯著關(guān)聯(lián)。最近，Zhu等[15]在陜北白絨山羊中檢測了4個SNP位點，其中c.682G>T、c.723T>G和c.837T>C位于POU1F1基因第6外顯子，均表現(xiàn)為3種基因型；而定位于3′-UTR區(qū)域的c.876+110T>C在該群體中未分型；進一步分析發(fā)現(xiàn)，c.682G>T和c.837T>C位點與產(chǎn)羔數(shù)顯著相關(guān)(P<0.05)，c.682G>T、c.723T>G和c.837T>C位點對生長性狀有顯著影響(P<0.05)；雙倍型分析表明，不同的雙倍型和產(chǎn)羔數(shù)及生長性狀之間存在強相關(guān)性，且具有H3H7雙倍型(GTTT-TTTT)的雌性山羊比其他雙倍型個體擁有更多的產(chǎn)羔數(shù)和更優(yōu)的生長狀況(P<0.05)。截至目前，關(guān)于山羊POU1F1基因多態(tài)性研究主要集中于內(nèi)蒙古白絨山羊、濟寧灰山羊、貴州白山羊等15個中國本地山羊品種，共檢測到25個SNP位點，與絨、肉、奶等13種生產(chǎn)性狀顯著相關(guān)(表2)。

表1 牛POU1F1基因單核苷酸多態(tài)性匯總

注：E為外顯子(exon)；I為內(nèi)含子(intron)。下同。

表2 山羊POU1F1基因單核苷酸多態(tài)性匯總

表3 綿羊POU1F1基因單核苷酸多態(tài)性匯總

2.3 綿羊POU1F1基因遺傳變異與經(jīng)濟性狀的關(guān)聯(lián)研究

在綿羊上，國內(nèi)外關(guān)于POU1F1基因遺傳變異的研究工作較少。2006年，Bastos等[37]首次報道了綿羊POU1F1基因的結(jié)構(gòu)，包含6個外顯子和5個內(nèi)含子，長度為5 787 bp；同時發(fā)現(xiàn)了葡萄牙本地綿羊POU1F1基因第2、3外顯子上存在三處錯義突變，這些突變可能改變POU1F1蛋白的結(jié)構(gòu)和活性；同時，在第4內(nèi)含子上也發(fā)現(xiàn)存在一處突變，但未在外顯子1、4和6中檢測到突變。2017年，趙憲林等[6]在藏羊POU1F1基因第4內(nèi)含子上檢測到1個SNP位點(g.14205G>A)，在第5內(nèi)含子上檢測出2個SNP位點(g.15223G>A和g.15286A>G)；關(guān)聯(lián)性分析表明，g.14205G>A位點與藏羊體質(zhì)量和體長顯著相關(guān)(P<0.05)，AA基因型個體為優(yōu)勢個體；g.15223G>A位點與藏羊體質(zhì)量顯著相關(guān)(P<0.05)，GG基因型為優(yōu)勢基因型；g.15286A>G位點與藏羊體質(zhì)量和體高顯著相關(guān)(P<0.05)，AA基因型個體為優(yōu)勢個體。從2006年第1篇報道到現(xiàn)在為止，關(guān)于綿羊POU1F1基因的研究僅對包括Churra da Terra Quente綿羊(葡萄牙)、Zel綿羊(伊朗)、Lori-Bakhtiari綿羊(伊朗)、Sakiz(土耳其)、White Karaman(土耳其)、Awassi綿羊(土耳其)、Sarda綿羊(撒丁島)、藏羊在內(nèi)的8個綿羊品種進行了檢測，發(fā)現(xiàn)了17個SNP位點，其與斷奶重、產(chǎn)奶量、乳糖含量、體重、體長、體高等生產(chǎn)性狀顯著相關(guān)(表3)。這些結(jié)果表明綿羊POU1F1基因上存在較為豐富的多態(tài)性，應(yīng)當(dāng)大力發(fā)掘，以期尋找與綿羊優(yōu)良生產(chǎn)性狀相關(guān)的分子標記，為綿羊的選育改良提供基礎(chǔ)。

3 其他家畜POU1F1基因遺傳變異與經(jīng)濟性狀的關(guān)聯(lián)研究

鑒于POU1F1基因?qū)游锷L發(fā)育起著十分重要的作用，除了對牛、山羊、綿羊等反芻動物POU1F1基因多態(tài)性進行研究以外，在豬、馬等家畜及家禽上也開展了大量研究。2011年，宋成義等[40]在豬POU1F1基因的1.5 kb啟動子區(qū)域發(fā)現(xiàn)了5個突變位點，其中5 bp插入/缺失突變A等位基因(128 bp/42 bp)的頻率在引入品種豬中最高，在培育品種蘇姜豬中處于中等，而在中國地方品種最低；進一步研究發(fā)現(xiàn)該突變與豬6月齡的體高、體長、胸圍和體重等生長性狀顯著相關(guān)(P<0.05)。2013年，Yan等[41]在POU1F1基因中檢測到1個SNP位點(NC_006088.2:g.3109G>A)，相關(guān)性分析表明該位點的GA基因型個體在16周時體重較大，300日齡時所產(chǎn)生的卵子數(shù)較多(P<0.05)。2017年，于農(nóng)淇等[42]發(fā)現(xiàn)伊犁馬POU1F1基因內(nèi)含子區(qū)的SNP(g.2758G>A)與日均母馬產(chǎn)奶量差異不顯著(P>0.05)。2018年，徐瓏洋等[43]在藏雞、滬寧雞POU1F1基因的外顯子2上發(fā)現(xiàn)1個多態(tài)位點(C/T)，其中C等位基因為優(yōu)勢等位基因，而CT基因型是控制瀘寧雞早期生長速度的優(yōu)勢基因型，因此該位點可以作為影響雞早期生長速度的1個潛在分子標記進行選育。

4 展 望

POU1F1基因被認為是神經(jīng)—內(nèi)分泌—生長軸的重要成員之一，其通過調(diào)控TSH、PRL、GH基因表達及垂體細胞的分化，對動物生長發(fā)育及繁殖等起重要調(diào)節(jié)作用。目前，國內(nèi)外對牛和山羊，以及豬、家禽等家養(yǎng)動物POU1F1基因及其對生長發(fā)育的影響的相關(guān)研究越來越多，但對綿羊和牦牛的關(guān)注度有所不足，遺傳效應(yīng)研究較少。綜上所述，對反芻動物POU1F1基因的深入研究，對畜禽的選育改良具有很重要的理論價值和實際意義。