韋云芳 ，李飛翔，汪 斌，李 靜，毛愛國，陳方良，萬九生，陳 超*

（1.公安部昆明警犬基地，云南昆明 650204；2.警犬技術(shù)公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南昆明 650204；3.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，云南昆明 650201）

家犬是人類馴化歷史中獨(dú)一無二的杰作。許多世紀(jì)以來，沒有其他哺乳動物能像犬一樣，與人類產(chǎn)生如此緊密的聯(lián)系，更沒有如此顯著的表型差異。當(dāng)今所有家犬都是距今約15000 年前由灰狼馴化而來[1]。犬被馴化之后，人類根據(jù)自己的意愿和使用目的加大了對犬的選育強(qiáng)度，由此形成了如今形態(tài)各異的現(xiàn)代犬種。目前，世界上有超過400 多個不同品種的犬[2-4]，除了金魚，犬是與其野生祖先表型差距最大的馴化動物。然而，現(xiàn)代家犬品種形成的時間并不長，大概是200～300 年前，這也說明了人工選擇的顯著效果[3]?，F(xiàn)今每一個家犬品種都有著嚴(yán)苛的品種標(biāo)準(zhǔn)以維持其固定的表型，這些標(biāo)準(zhǔn)將持續(xù)地對某一品種犬施加選擇壓力，這種壓力降低了品種內(nèi)的表型多樣性和遺傳異質(zhì)性，但增加了品種間的巨大差異性。體型是犬最顯著的表型性狀，家犬是所有陸地脊椎動物中體型差異最大的動物，犬的體型差異之大，堪稱各物種之最[5]。最小品種犬與最大品種犬的骨骼大小相差大概40 倍。吉娃娃的平均體重只有1.8 kg，而獒犬體重高達(dá)90 kg，幾乎是最小的吉娃娃的50 倍[4-6]。據(jù)“吉尼斯世界紀(jì)錄”記載，世界上最高的犬是一條名叫“宙斯”的大丹犬，其身高為111.8 cm，體重達(dá)70.3 kg，直立時身高高達(dá)2.25 m。最小的狗是一只名叫“米莉”的吉娃娃，體重453 g，身高只有9.65 cm（http://www.guinnessworldrecords.com/）。那么，同樣是灰狼的后代，在相對短暫的時間內(nèi)，犬是如何演化出這么多體型迥異的品種？本文就犬體型性狀相關(guān)基因IGF1、IGF1R、GHR1、GHR2、SMAD2、STC2、HMGA2、IGSF1、ACSL4及IRS4的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 犬體型大小的遺傳研究

針對犬體型大小的第一個研究是從葡萄牙水犬（Portuguese Water Dog，PWD）開始的[7]，這是因?yàn)樵诿绹咸蜒浪且粋€相對較新的品種，可以追蹤24 代，一直到當(dāng)初的31 個建群者。而且葡萄牙水犬的品種標(biāo)準(zhǔn)對其體型大小的界定允許有2 倍的差異，因此導(dǎo)致該品種內(nèi)的個體體型差異較大，加上具備詳細(xì)的系譜記錄，使它成為體型性狀研究中最好的試驗(yàn)對象。Chase 等[7-8]對500 只葡萄牙水犬的X 射線骨骼圖進(jìn)行分析，制定了92 個骨骼參數(shù)，利用全基因組微衛(wèi)星掃描數(shù)據(jù)，結(jié)合葡萄牙水犬種群骨骼變異的主成分分析（Principal Component Analysis，PCA），發(fā)現(xiàn)15 號染色體（CFA15）上一個15 Mb 的區(qū)域有2 個數(shù)量性狀位點(diǎn)（QTL）（FH2017 和FH2295）與葡萄牙水犬的體型大小密切相關(guān)。

2007 年，Sutter 等[5]對決定家犬體型大小的基因位點(diǎn)的確定成為尋找性狀決定位點(diǎn)的經(jīng)典工作之一。該研究仍是從葡萄牙水犬開始，并把研究對象擴(kuò)大到143個品種、3241 只犬，首先對15 號染色體15 Mb 區(qū)域的SNP 進(jìn)行重測序，進(jìn)一步將該區(qū)域鎖定到4 Mb 以內(nèi)，然后研究者對463 只葡萄牙水犬在這個區(qū)域的116 個SNPs 和體型大小進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)在胰島素樣生長因子1（Insulin-like Growth Factor 1，IGF1）基因附近出現(xiàn)了峰值，而IGF1也是影響人和小鼠個體大小的重要候選基因。然而由于葡萄牙水犬品種內(nèi)個體在IGF1區(qū)域內(nèi)高度連鎖，確定具體的位點(diǎn)非常困難，因此研究者對來自于526 只犬的116 個SNPs 進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析，其中有23 種小型犬（＜9 kg），20 種大型犬（＞30 kg）。在此，研究者發(fā)現(xiàn)在IGF1區(qū)域，雜合率降低，大型犬和小型犬出現(xiàn)了明顯的遺傳分化，而小型犬的平均雜合率只有大型犬的25%，因此進(jìn)一步確認(rèn)了此區(qū)域是大、小體型的犬分化的主要關(guān)聯(lián)區(qū)域，進(jìn)一步數(shù)據(jù)分析將區(qū)域鎖定到了20 個SNP，最終確定了5 號SNP（CFA15，44，228，468）是最佳候選對象，小型犬中的堿基是A，而大型犬中的堿基是G。進(jìn)一步對143 種品種犬中等位基因A 的頻率進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)A 的頻率和品種的體型強(qiáng)烈負(fù)相關(guān)，以此確定了5 號SNP 是家犬體型大小的因果突變。因此，IGF1基因上單個SNP 的突變決定了犬的小體型。

隨后一個很有開創(chuàng)性的工作是Jones 等[9]率先使用各犬種的品種標(biāo)準(zhǔn)來定義表型與基因標(biāo)記關(guān)聯(lián)分析。因?yàn)楝F(xiàn)代犬種是由嚴(yán)格的品種標(biāo)準(zhǔn)所定義的，品種標(biāo)準(zhǔn)描述了某個品種中個體的理想體型特征。對于體型這樣的強(qiáng)選擇性狀的遺傳研究，品種標(biāo)準(zhǔn)可以用作個體遺傳決定表型的代表，由此開啟了在犬類形態(tài)學(xué)的遺傳研究中使用品種標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析的方法，而不是對每只犬進(jìn)行個體測量，極大地簡化了相關(guān)工作。

后來，隨著“CanMap project”的開展，又相繼確認(rèn)了多個與體型大小相關(guān)的重要基因座。2012 年，Hoopes 等[4]專門針對平均體高在25 cm 以下的915 只小型犬進(jìn)行研究，在3 號染色體（CFA3）上鑒定了一個新的犬體型相關(guān)基因座——胰島素樣生長因子1 受體（IGF1R）基因。2013 年，Rimbault 等[10]通過精細(xì)定位發(fā)現(xiàn)了對體型有顯著影響的另5 個基因，分別是生長激 素 受 體（Growth Hormone Receptor，GHR）GHR1和GHR2基因、高遷移率族蛋白A2（High Mobility Group AThook 2，HMGA2）、斯鈣素2（Stanniocalcin 2，STC2）、SMAD 家族成員2（SMAD family member 2，SMAD2）；此外，46%～52.5%犬種的體型差異可以通過包括IGF1和IGF1R在內(nèi)的6 個候選基因上的7 個基因座來解釋。在標(biāo)準(zhǔn)體重小于41 kg 的品種中，這6 個基因的突變可解釋64.3%的犬體型變小的原因。2017 年，Plassais 等[11]使用Illumina 公司Canine HD 芯片（170000 SNPs）對大型犬種與小型犬種進(jìn)行了一項(xiàng)全基因組關(guān)聯(lián)分析（Genome-Wide Association Studies，GWAS），發(fā)現(xiàn)大體型犬的骨骼大小和體重與胰島素受體底物4（Insulin Receptor Substrate，IRS4）、長鏈酯酰輔酶A 合成酶家族成員4（Acyl-CoA Synthetase Long-chain family member 4，ACSL4）和免疫球蛋白超家族成員1（Immunoglobulin superfamily member 1，IGSF1）基因的變異密切相關(guān)。

對犬體型大小的相關(guān)重要研究總結(jié)見表1。伴隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，體型大小相關(guān)基因的發(fā)現(xiàn)及研究結(jié)果不斷完善。隨著全基因組高密度SNP 芯片技術(shù)的發(fā)展，SNP 分型的規(guī)模越來越大，從60968 發(fā)展到了170000。另外，研究手段和分析方法不斷豐富，包括精確定位（Fine-Mapping）、全基因組測序（Whole Genome Sequencing，WGS）及全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS）等方法的綜合運(yùn)用。再者就是研究材料不斷豐富，從1 個犬種（葡萄牙水犬，PWD）330 頭犬到88 個犬種855 頭犬，甚至是148 個犬種2801 頭犬。

2 犬體型大小相關(guān)基因的研究

目前，研究發(fā)現(xiàn)10 個候選基因的變異決定了大多數(shù)犬體型的大小（表2）。前3 個基因的遺傳變異決定了大體型犬的體高和體重。后7 個基因大概可以解釋≤41kg 的中小型犬的60%體型差異。

2.1IGF1和IGF1R基因 IGF1 是介導(dǎo)生長激素作用的一種單鏈多肽，也被稱作促生長因子（即Somatomedin C），是胰島素樣生長因子家族（IGFs）的重要成員，主要產(chǎn)生于肝臟細(xì)胞，通過內(nèi)分泌、旁分泌或自分泌途徑作用于靶器官，主要與IGF1R 結(jié)合從而刺激下游多條信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，將信號轉(zhuǎn)導(dǎo)至細(xì)胞核內(nèi)，激活并釋放轉(zhuǎn)導(dǎo)因子，進(jìn)而對哺乳動物的細(xì)胞增殖和分化及凋亡、機(jī)體的生長發(fā)育、組織修復(fù)、營養(yǎng)代謝等方面起著重要的調(diào)控作用[14]。

IGF1 和IGF1R 都是動物生長軸IGF1 通路上的重要因子，具有顯著的促生長和分化作用，在胚胎發(fā)育和個體生長中起著重要作用，并且該通路與生長激素（Growth Hormone，GH）通路之間存在復(fù)雜的相互關(guān)系。許多研究都發(fā)現(xiàn)IGF1 通路在控制犬體型大小方面起著重要作用。Sutter 等[5]鑒別出IGF1是決定犬體型變小的關(guān)鍵基因，且具有IGF1基因變異的小體型犬的血清中IGF1激素水平也顯著低于大體型犬。后來，IGF1R基因也被證明是影響犬體型大小的重要基因[4]。當(dāng)IGF1和IGF1R基因突變時，會抑制胰島素信號通路功能的發(fā)揮，從而影響個體大小。在小鼠和人上，都已證實(shí)IGF-1和IGF1R基因變異會導(dǎo)致生長發(fā)育遲緩及體型、重量的減小[15-17]。目前，畜禽IGF1 的研究主要集中在IGF1基因的克隆、結(jié)構(gòu)與功能、多態(tài)性及其與動物生產(chǎn)性能和經(jīng)濟(jì)性狀的關(guān)系等方面。

2.2GHR1和GHR2基因 生長激素（GH）是由腦垂體前葉分泌的一種蛋白激素，在動物生長發(fā)育及代謝中有重要作用。GH 首先是與靶細(xì)胞膜表面的GHR 結(jié)合，啟動細(xì)胞內(nèi)信號傳導(dǎo)，促進(jìn)IGF1 的表達(dá)，再通過血液循環(huán)到達(dá)生物體局部組織，促進(jìn)細(xì)胞的新陳代謝過程[18]。GHR屬于細(xì)胞分裂素/血細(xì)胞生成素受體超家族（Cytokine/Hematopoietin Receptor Superfamily），是一種特異、高效的膜蛋白，其在細(xì)胞內(nèi)的表達(dá)量對GH 發(fā)揮作用有重要影響，從而影響生物體的生長發(fā)育，如性連鎖矮小雞的生長遲緩癥狀就是因?yàn)镚HR基因突變導(dǎo)致動物組織中GHR 數(shù)量顯著減少甚至缺乏所致[19-20]。GHR基因是第一個被證明與生長有關(guān)的基因。人類中，GHR基因突變導(dǎo)致的GHR 結(jié)構(gòu)與功能異常都會抑制GH 發(fā)揮正常生理作用，最終造成生長發(fā)育不良、遲緩和身材矮小、侏儒癥等[21]。在犬上，GHR1和GHR2基因的變異都會對犬體型大小造成影響[10]。有研究表明，豬體內(nèi)GHR 的失活也會導(dǎo)致成年豬體重和體尺的減少[22]。

表1 犬體型大小相關(guān)研究

表2 犬體型大小相關(guān)候選基因的信息

2.3HMGA2基因 HMGA2 屬于高遷移率蛋白A 家族中的一員，是一種非組蛋白染色體蛋白，本身缺乏轉(zhuǎn)錄活性，但能通過與染色質(zhì)結(jié)合而改變其結(jié)構(gòu)，或者直接與相關(guān)蛋白結(jié)合發(fā)生作用，繼而調(diào)節(jié)其他基因的轉(zhuǎn)錄，從而影響胚胎形成、組織發(fā)育、生長調(diào)節(jié)及腫瘤發(fā)生等過程[23]。小鼠上，HMGA2的1 個等位基因的失活會造成小鼠體重減少20%，2 個等位基因都失活則會使小鼠體重減少60%[24-25]。相反，HMGA2過表達(dá)導(dǎo)致小鼠出現(xiàn)巨人癥和脂肪瘤[26]。HMGA2 蛋白在小鼠胚胎發(fā)育和細(xì)胞分化增殖中也發(fā)揮著重要作用，在胚胎期以及不成熟組織中大量表達(dá)，而在分化成熟的組織中幾乎不表達(dá)[27]。在人類中，HMGA2基因的變異會導(dǎo)致個體身材矮小[28]。在豬上，HMGA2基因敲除豬出現(xiàn)侏儒癥表型，特征是出生體重過輕、生長遲緩及體重減少[29]。此外，HMGA2基因缺失影響了豬胎兒在母體子宮內(nèi)接受的資源，若是子宮內(nèi)同時存在正常與HMGA2-/+、HMGA2-/-等個體，則HMGA2-/-個體無法在懷孕期間存活，且HMGA2-/-與子宮絨毛接觸不良，顯示子宮跟胎盤間的連結(jié)較差；若子宮內(nèi)只存有HMGA2-/-，這些胎兒就能存活并正常發(fā)育[29]。另外，目前已知HMGA2基因表達(dá)水平會影響多種動物的體型，包括犬[9-10,30]、兔[31]、馬[32]等多種動物。最近的研究還表明，HMGA2基因變異能影響鳥喙的大小[33]。

2.4STC2基因 STC2 屬于STC 家族中的一員，是哺乳動物器官及組織中廣泛表達(dá)的一種分泌性的糖蛋白激素，參與調(diào)節(jié)多種生理及病理過程[34-35]。STC2 通過與妊娠相關(guān)血漿蛋白-A（PAPP-A）共價結(jié)合從而抑制PAPP-A 的蛋白水解活性，進(jìn)而阻止胰島素樣生長因子蛋白4（IGFBP4）的裂解，由此抑制胰島素樣生長因子（IGFs）的活性而阻礙哺乳動物的正常生長[36]。在小鼠上的研究表明STC2 能有效調(diào)節(jié)小鼠出生后的生長。STC2基因過表達(dá)的小鼠在體型減小了45%[37]，而STC2基因敲除小鼠比同窩出生的野生型小鼠要大15%[38]。在犬上，Rimbault 等[10]研究發(fā)現(xiàn)STC2基因的變異會導(dǎo)致犬體型的變小。而關(guān)于人類身高的研究表明，STC2基因的2 種不同變異會對人類身高產(chǎn)生影響[39]。

2.5SMAD2基因 SMADs 是一類新的細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白家族，能夠轉(zhuǎn)導(dǎo)來自轉(zhuǎn)化生長因子β（Transforming Growth Factor-β，TGF-β）的信號因子，其家族成員與轉(zhuǎn)化生長因子TGF-β共同調(diào)節(jié)細(xì)胞的增殖、分化、凋亡及間質(zhì)的合成，從而在生物體各器官組織的生長發(fā)育過程中起著極其重要的作用。在成人中，SMADs家族成員還負(fù)責(zé)組織修復(fù)和免疫調(diào)節(jié)。SMAD2基因是SMADs 蛋白家族的成員之一，屬于受體激活型SMADs，是轉(zhuǎn)導(dǎo)TGF-β信號的重要胞漿內(nèi)信號級聯(lián)分子，根據(jù)轉(zhuǎn)化生長因子TGF-β超家族成員的信號，在細(xì)胞膜與細(xì)胞核之間來回移動，將TGF-β信號直接由細(xì)胞膜轉(zhuǎn)導(dǎo)入細(xì)胞核內(nèi)，從而調(diào)節(jié)特定靶蛋白的轉(zhuǎn)錄[40]。SMAD2 功能失活或表達(dá)過低可能影響TGF-β的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)并參與腫瘤的形成。

2.6IRS4基因 Plassais 等[11]首次發(fā)現(xiàn)IRS4基因與犬的大體型密切相關(guān)，但在人上并沒有發(fā)現(xiàn)身高與IRS4基因有任何相關(guān)性。IRS4屬于胰島素受體底物（The Insulin Receptor Substrate，IRS）分子家族最新成員，該基因編碼胰島素受體底物-4，于1997 年由Lavan 等[41]成功克隆，是胰島素胞漿內(nèi)信號傳導(dǎo)的關(guān)鍵分子之一[42]，在下丘腦組織中高度表達(dá)[43]。IRS4 分子是胰島素受體的直接作用底物，被磷酸化后，促發(fā)胰島素生理信號在胞漿內(nèi)的逐級傳遞過程，激活葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4（GLUT4）等下游效應(yīng)分子[44]。另外，它參與GH/ IGF-1 途徑并與多種生長因子受體（如IGF1R）相互作用，增強(qiáng)IGF1的表達(dá)從而刺激細(xì)胞的生長[45]。IRS4基因也受雌激素調(diào)節(jié)[46]，這可以部分地解釋雌激素和身體脂肪分布之間建立的聯(lián)系[47]。Fantin 等[43]建立了IRS4基因敲除小鼠模型（IRS4-/-），發(fā)現(xiàn)IRS4敲除小鼠在生長、繁殖和糖代謝方面均出現(xiàn)輕度缺陷，說明IRS4 是參與機(jī)體生長與發(fā)育及糖代謝調(diào)節(jié)的信號分子。在人類研究中，IRS4基因多與Ⅱ型糖尿病、代謝紊亂、精神分裂癥、肥胖等疾病相聯(lián)系[48]。還有研究表明IRS4 會耦合到瘦素受體上，而瘦素和胰島素都能夠通過作用于下丘腦神經(jīng)元調(diào)節(jié)生物體內(nèi)的能量消耗和葡萄糖穩(wěn)態(tài)，從而參與控制食物攝入，長期控制肥胖，促性腺激素的分泌以及繁殖性能的調(diào)控[49]。在豬上，IRS4基因的多態(tài)性可能引起脂肪沉積表型變異[50]。

2.7IGSF1基因IGSF1基因編碼質(zhì)膜糖蛋白，參與甲狀腺激素的生物合成，并參與甲狀腺激素途徑[51]。據(jù)報道，在人類中，IGSF1基因的突變與X 連鎖的IGSF1 缺乏綜合征有關(guān)，IGSF1基因上的突變使其編碼蛋白無法移動到細(xì)胞表面發(fā)揮正常功能，從而導(dǎo)致甲狀腺功能減退，因此也與人類肥胖有關(guān)[51]。在小鼠上的研究也表明，缺乏IGSF1 的雄性小鼠顯示垂體和血清促甲狀腺激素（TSH）濃度降低，垂體促甲狀腺激素釋放激素（TRH）受體表達(dá)降低，體重增加[51]。在犬上，Plassais 等[11]研究發(fā)現(xiàn)IGSF1 與犬種的體高密切相關(guān)，在大型犬種中鑒定出2 種突變（單密碼子缺失和錯義突變）都位于IGSF1 蛋白的高度保守的免疫球蛋白樣結(jié)構(gòu)域。有意思的是，IGSF1基因還與犬的頭型長短有關(guān)[12,52]。而在人上，患者身體上的某些缺陷包括面部的異常（如瞼裂狹小、小頭、唇腭裂等）和生殖器畸形都可能與IGSF1基因的短片段重復(fù)有關(guān)[53]。

2.8ACSL4基因 ACSLs 是脂肪酸代謝中至關(guān)重要的酶，在哺乳動物中已經(jīng)鑒定出5 個該家族成員（ACSL1、3、4、5、6）。ACSL4 定位于細(xì)胞內(nèi)膜，特異性結(jié)合長鏈多不飽和脂肪酸，參與脂肪酸的合成和分解代謝過程。研究表明，增加肝臟中ACSL4 的表達(dá)可促進(jìn)脂肪酸的攝取[54]。Plassais 等[11]發(fā)現(xiàn)，ACSL4基因與大體型犬中發(fā)達(dá)的肌肉性狀高度相關(guān)，但與矮胖的小體型犬健壯結(jié)實(shí)的肌肉性狀無關(guān)，這表明在大體型犬中發(fā)現(xiàn)的ACSL4基因變異會大大增加犬的體型。在豬上，ACSL4控制豬肌肉和背部脂肪厚度，ACSL4的突變與背膘厚相關(guān)[55-56]。

對犬體型相關(guān)的候選基因的QTL 的遺傳變異研究表明，重要候選基因的組合中突變型等位基因越多，犬的體型就越小。然而，其中某些基因在犬體型減小上似乎比其他基因有更強(qiáng)的效果。有研究表明，IGF1R、GHR2和HMGA2被認(rèn)為具有更強(qiáng)的體型減小效應(yīng)，具有較弱體型減小效應(yīng)的是IGF1、GHR1和STC2[57]。

3 結(jié)語與展望

犬體型性狀是一個復(fù)雜性狀，受到多個基因的影響。目前，研究者已發(fā)現(xiàn)10 個基因的遺傳變異對犬的體型大小有顯著影響，這些遺傳標(biāo)記的確定為犬體型大小的預(yù)測提供了可能，通過遺傳標(biāo)記預(yù)測犬體型大小將大大有利于犬的健康，例如根據(jù)體型制定相應(yīng)合理的飲食和運(yùn)動計劃。此外，預(yù)測犬體型的大小將有助于選育具有合適體型及與體型相關(guān)性狀的理想個體。

雖然上述遺傳標(biāo)記可以解釋大多數(shù)犬體型大小的變異，但是具體的影響機(jī)制尚未明確，仍需要進(jìn)一步探索。隨著上述候選基因在各種動物中的遺傳變異與生長發(fā)育表型關(guān)系的深入挖掘和研究，這些分子標(biāo)記在動物生長發(fā)育中的作用將越來越清晰，為理解和闡明人類及其他家養(yǎng)動物在體型上的遺傳變異提供科學(xué)線索。另外，隨著檢測手段的升級、犬種及樣本量的擴(kuò)大，可能還會檢測到與犬體型大小相關(guān)的其他候選基因和相關(guān)分子標(biāo)記，并會在動物體型大小的遺傳機(jī)制上有更多有價值的發(fā)現(xiàn)。