陳嘉玥，李奇隆，肖晨彤，孫彥鵬，雷初朝，黨瑞華

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

引言

牛羊泌乳性狀作為家畜經(jīng)濟性狀的重要組成部分之一，泌乳性能的高低和乳產(chǎn)品品質(zhì)與企業(yè)生產(chǎn)效益和生產(chǎn)成本息息相關(guān)，對畜牧業(yè)的經(jīng)濟發(fā)展有著直接的影響[1]。哺乳動物的泌乳特性是數(shù)量性狀，由主效基因和多種微效基因共同調(diào)控，并且會受到動物的疾病預(yù)防、飼料質(zhì)量、飼養(yǎng)管理以及其他各種環(huán)境因素的影響[2]。遺傳因素作為最主要的影響因素，基因的作用影響很大，對于牛羊的泌乳性狀，候選基因也有很多，它們之間也有一定的關(guān)聯(lián)性，比如k-酪蛋白基因(k-CN)、三磷酸腺苷結(jié)合轉(zhuǎn)運蛋白G超家族成員2基因(ABCG2)、骨橋蛋白基因(OPN)、垂體特異性轉(zhuǎn)錄因子(POU1F1)等多個基因都與牛羊的泌乳性狀呈顯著相關(guān)[3]。

隨著近年分子生物學(xué)手段的飛速發(fā)展，更多的基因被發(fā)現(xiàn)與泌乳性狀密切相關(guān)，可作為泌乳性狀分子標(biāo)記的候選基因。對這些基因的相關(guān)研究能夠有效避免如世代間隔時間長、改良效率低、優(yōu)良種質(zhì)資源浪費等現(xiàn)如今畜牧業(yè)所面臨的問題。目前，研究已發(fā)現(xiàn)多個影響牛羊泌乳性狀的基因，本文綜述了近些年研究較多的基因及其與泌乳性狀的關(guān)系。

1 牛泌乳性狀相關(guān)基因

1.1 Leptin基因

Leptin，又名肌肉瘦素，是由肥胖基因進行編碼，后由脂肪細胞進行分泌的細胞因子，該基因包含有三個外顯子和兩個內(nèi)含子，廣泛地參與了牛體的能量新陳代謝、神經(jīng)功能代謝活動和生殖功能代謝活動。研究發(fā)現(xiàn)，Leptin基因不僅影響牛的繁殖能力，還參與調(diào)控乳蛋白、乳脂率及產(chǎn)奶量等性狀。徐凱勇等人利用PCR-RFLP的基因分析方法對此進行了研究，通過對荷斯坦奶牛的Leptin基因外顯子2序列E2JW和E2FB位點進行的突變檢測，發(fā)現(xiàn)了影響荷斯坦奶牛泌乳學(xué)系統(tǒng)的功能的兩個重要標(biāo)記是Leptin基因的E2JW和E2FB位點[4]。Liefers等人通過相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)對Leptin基因的第二個內(nèi)含子實施C/T轉(zhuǎn)換可以有效提高奶牛的產(chǎn)奶量[5]。Linda等人發(fā)現(xiàn)：LEP-1609、LEP-1457、LEP-580以及LEP-2470等與奶牛的乳蛋白量顯著相關(guān)[6]。

1.2 k-酪蛋白基因(k-CN)

k-酪蛋白(Kappa-casein，k-CN)是乳腺神經(jīng)組織皮質(zhì)上皮基因所分泌的兩種磷脂酪蛋白之一，編碼k-CN的基因位于牛的第6號染色體上[7]，k-CN蛋白在牛奶中的含量約占總酪蛋白的百分之十二，對奶牛的泌乳性能、奶酪中營養(yǎng)物質(zhì)和品質(zhì)等均具有重要的影響[8]。Tsiaras等人通過研究發(fā)現(xiàn)奶牛k-CN基因中的AB基因型轉(zhuǎn)化乳蛋白分子數(shù)量和轉(zhuǎn)化乳蛋白率均高于AA基因型[9]，極有可能使得乳牛細胞具有較高細胞生長率和較高產(chǎn)奶量的能力，BB基因型也會有更高的產(chǎn)奶量[10]。鞠志花等人發(fā)現(xiàn)k-CN基因多態(tài)性對牛的產(chǎn)奶量、乳脂率和乳蛋白率均顯著相關(guān)[11]。趙國麗等人研究發(fā)現(xiàn)k-CN基因中第五個外顯子突變后荷斯坦奶牛的乳脂率和體細胞數(shù)均會有相應(yīng)變化[12]。

1.3 三磷酸腺苷結(jié)合轉(zhuǎn)運蛋白G超家族成員2基因(ABCG2)

屬于ATP-binding cassette(ABC)超家族成員的三磷酸腺苷結(jié)合轉(zhuǎn)運蛋白G超家族成員2(ATP-Binding Cassette superfamily G member 2,ABCG2)是一類乳腺癌細胞耐藥轉(zhuǎn)運蛋白(BCRP)[13]。編碼該蛋白的基因位于牛的第6號染色體，包括16個外顯子和15個內(nèi)含子。研究發(fā)現(xiàn)，ABCG2與牛的乳脂率和產(chǎn)奶量有一定的關(guān)系，路國彬等人將ABCG2基因中的外顯子14上的R579Q (G/A)突變后發(fā)現(xiàn)該基因與奶牛的產(chǎn)奶量和低乳蛋白量顯著相關(guān)(P<0.05)[14]。Yue等人發(fā)現(xiàn)ABCG2基因的BB基因型與高產(chǎn)奶量和高蛋白食物生成的速度顯著關(guān)聯(lián)，與低乳蛋白率顯著相關(guān)[15]。同時，Tantia等人在印度奶牛體內(nèi)蛋白進行臨床研究時已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在ABCG2基因序列中的等位基因Y與高乳蛋白脂肪比率、低乳脂肪蛋白的生物代謝率之間仍然具有一定的聯(lián)系[16]。

1.4 骨橋蛋白基因(OPN)

骨橋蛋白基因(Osteopontin,OPN)是一種廣泛存在于細胞外基質(zhì)中的糖基化蛋白。OPN位于牛的第6號染色體，具有6個外顯子[17]。研究表明骨橋蛋白基因與牛的泌乳性能和繁殖能力等存在顯著相關(guān)。Conhen等人通過研究發(fā)現(xiàn)OPN基因在牛中存在連鎖不平衡效應(yīng)，此效應(yīng)對奶牛的乳蛋白率影響顯著[18]。Schnabel等人將OPN基因啟動子的上游位點進行突變處理后發(fā)現(xiàn)奶牛的產(chǎn)奶量和蛋白率均有顯著變化[19]。另外，Leonard等人發(fā)現(xiàn)OPN基因的變異能顯著影響奶牛體內(nèi)的高乳蛋白比率和低乳脂水平[20]。

1.5 乳鐵蛋白(LF)

廣泛存在于多種體液中的乳鐵蛋白(lactoferrin,LF)又稱乳轉(zhuǎn)鐵蛋白，屬于轉(zhuǎn)鐵蛋白家族。LF基因先后從牛和人的乳汁中分離出，通過分析發(fā)現(xiàn)此基因具有抑菌、抗病毒、抗感染、調(diào)節(jié)自身免疫力以及中和內(nèi)毒素的作用[21-22]。王夢琦等人研究發(fā)現(xiàn)，在乳鐵蛋白基因5'非翻譯區(qū)的LF-28A>C位點極顯著的影響了奶牛的日產(chǎn)奶量、乳脂率、蛋白率和乳糖含量，同時極顯著地改善了奶牛的泌乳性能，并且還有延長生產(chǎn)壽命的功效[23]。陳仁金等人利用PCR-SSCP技術(shù)對中國荷斯坦牛的LF基因第一個外顯子的遺傳多態(tài)性進行了檢測，發(fā)現(xiàn)其遺傳多態(tài)性與泌乳性狀呈顯著相關(guān)[24]。

2 羊泌乳性狀相關(guān)基因

2.1 催乳素(PRL)

由垂體前葉腺嗜酸細胞分泌的催乳素(Prolactin,簡稱PRL)是一種蛋白質(zhì)激素，在泌乳過程中起著重要作用。同時，催乳素還是專門研究乳腺中產(chǎn)奶流動速度變化和產(chǎn)奶量變化的一種功能性候選基因[25]，同時它不僅能夠刺激乳腺的生長,也有利于進行持久性的產(chǎn)奶。PRL基因位于綿羊染色體的第二十區(qū)域，其有關(guān)數(shù)量性狀的基因位點可以影響奶羊的產(chǎn)奶量和乳脂率等性狀，因此常常用PRL作為產(chǎn)奶量和乳成分的位置標(biāo)記基因。研究發(fā)現(xiàn)，催乳素基因的多樣性也會導(dǎo)致泌乳性能的變化[26]。PRL與催乳素受體(PRLR)結(jié)合發(fā)揮作用[27]，屬于細胞因子受體家族成員的PRLR的多態(tài)性對奶羊產(chǎn)奶量和乳蛋白等性狀有一定的影響。楊若晨等人通過RT-qPCR方法檢測哺乳期母羊L-PRLR及S-PRLR的相對表達量, 在小尾寒羊母羊泌乳期及斷奶后的乳腺組織中發(fā)現(xiàn)S-PRLR的表達量顯著高于L-PRLR的表達量，并且L-PRLR的表達量在哺乳前期顯著高于哺乳后期[28]。

2.2 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子5基因(STAT5)

信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子5又被稱為乳腺因子[29]，最早發(fā)現(xiàn)于綿羊中[30]。STAT5包括氨基酸序列高度相似的STAT5A和STAT5B兩種亞型。研究結(jié)果表明，STAT5對于乳腺發(fā)育十分重要，STAT5蛋白的缺失會造成奶羊的乳腺發(fā)育不良，同時，其乳汁內(nèi)分泌能力也有一定程度的減弱。王婭娜等人發(fā)現(xiàn)奶山羊的STAT5A基因突變會減少其泌乳量[31]，劉園峰研究發(fā)現(xiàn)奶山羊的STAT5A基因不僅與產(chǎn)乳量有關(guān)，而且與奶山羊體重、體長和胸圍等性狀均有顯著影響[32]。

2.3 垂體特異性轉(zhuǎn)錄因子(POU1F1)

作為第一個被鑒定的垂體轉(zhuǎn)錄因子的垂體轉(zhuǎn)錄因子1(pituitary transcription factor 1,POU1F1)屬于POU蛋白家族。該序列基因位于綿羊1q21-22染色體上，包含6個外顯子和5個內(nèi)含子[33]。研究表明，POU1F1與奶山羊的生長性狀和產(chǎn)奶性狀關(guān)系緊密。Huang 等人發(fā)現(xiàn)POU1F1外顯子3上的SNP位點與產(chǎn)乳量顯著相關(guān)[34]。Lan等人對山羊POU1F1基因的遺傳變異進行研究，發(fā)現(xiàn)POU1F1基因可以作為山羊優(yōu)良產(chǎn)奶性能的分子標(biāo)記[35]。藍賢勇等人通過PCR-RFLP研究POU1F1-E6H 多態(tài)性，最終發(fā)現(xiàn)該基因有多種途徑可參與山羊產(chǎn)奶性狀的調(diào)控機理[36]。

2.4 β-乳球蛋白 (LGB)

β-乳球蛋白(LGB)屬于中性脂質(zhì)細胞運載乳球蛋白第一家族，擁有多種不同化學(xué)性質(zhì)的小乳球蛋白質(zhì)。綜合前期研究報道可看出該蛋白在綿羊的生長發(fā)育以及泌乳性狀等方面均有一定的影響。β-乳球蛋白在羊的不同品種中具有多態(tài)性，有A、B、C三個共顯性等位基因，研究發(fā)現(xiàn)，這三種不同的基因型對綿羊的產(chǎn)奶量、乳脂率和乳蛋白含量影響有較大的差異，F(xiàn)．Schmoll等人發(fā)現(xiàn)具有AA基因型的貝利切河谷羊產(chǎn)奶量較高[37]；同樣，Giaccone等人發(fā)現(xiàn)AA基因型的東弗里升羊在第一個泌乳期產(chǎn)奶量最多，而BB基因型產(chǎn)奶量在之后的泌乳期中產(chǎn)奶量較多[38]。Yousefi等人發(fā)現(xiàn)AB基因型的美利奴和薩拉丁綿羊的產(chǎn)奶量較高[39]。AA基因型的薩拉丁羊產(chǎn)奶量明顯低于AB基因型的產(chǎn)奶量，AB基因型的本土扎列綿羊表現(xiàn)出較高的乳脂和乳糖含量[40]。

2.5 表皮生長因子受體(EGFR)

表皮生長因子受體(epidermal growth factor receptor)，簡稱EGFR，是位于山羊22號染色體上，包括28個外顯子的受體蛋白。研究表明，EGFR蛋白參與了雌性乳腺的發(fā)育，通過與雙調(diào)乳腺蛋白結(jié)合，可以有效地激活乳腺的雌性素和雄激素的分泌通路，進而有效提高了奶羊乳腺發(fā)育的程度[41]。南雪梅研究發(fā)現(xiàn)EGFR可以有效促進動物乳脂的合成，減少乳蛋白合成[42]。Bolander 等人研究發(fā)現(xiàn)EGFR也可以通過啟動山羊的JAK/STATS通路來調(diào)控蛋白質(zhì)的表達，進而利于合成乳蛋白，從而促進了山羊的泌乳功能。[43]

3 小結(jié)

大量的研究成果表明，牛羊的泌乳性狀主要是由多種基因共同調(diào)節(jié)和控制的，不同基因的作用對象不同。關(guān)于牛的泌乳性能方面：LEPTIN基因中內(nèi)含子2上的C/T轉(zhuǎn)換過程可以大幅提高奶牛個體的生長和產(chǎn)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體內(nèi)的優(yōu)質(zhì)高乳脂率。一般來說，高產(chǎn)奶量的奶牛品種往往伴隨著較低的乳脂率，而其他低產(chǎn)奶量的品種或乳肉兼用的品種則乳脂率較高，所以，對于ABCG2基因的進一步研究或許可以為奶牛的遺傳改良提出新的思路；OPN的突變可以引起奶牛高乳蛋白率和乳脂率的變化；LF基因可作為提高奶牛泌乳的候選基因。關(guān)于羊的泌乳性能方面：PRL可作為產(chǎn)奶量和乳成分的位置標(biāo)記基因，對奶羊的遺傳育種具有很大的指導(dǎo)意義；PRLR基因在小尾寒羊母羊泌乳期及斷奶后的乳腺組織中發(fā)現(xiàn)L-PRLR顯著低于S-PRLR的表達，能夠進一步增加產(chǎn)奶量，但此基因可能存在品種特異性；STAT5A基因的增加可以提高奶羊的泌乳量，主要在乳腺發(fā)育過程中發(fā)揮調(diào)控作用；POU1F1外顯子3上的SNP位點的突變可以引起奶羊的產(chǎn)乳量顯著變化；LGB基因中AA基因型的貝利切河谷羊產(chǎn)奶量較高，BB基因型產(chǎn)奶量在之后的泌乳期產(chǎn)奶量較多，其次，該基因在東弗里升羊、本土扎列綿羊、美利奴和薩拉丁綿羊中都表現(xiàn)出和泌乳性能極高的關(guān)聯(lián)性，主要體現(xiàn)在產(chǎn)奶量、乳脂率、乳糖和乳蛋白含量上；EGFR基因可以促進山羊乳脂合成，減少乳蛋白合成，此基因與乳腺發(fā)育高度相關(guān)，關(guān)于乳腺病理方面有待后續(xù)進一步研究發(fā)現(xiàn)。

目前已針對泌乳性狀開發(fā)出一系列的分子標(biāo)記，在泌乳性狀的檢測、分子育種方面起著重要的指導(dǎo)作用。

4 展望

近年來，隨著現(xiàn)代先進的分子生物技術(shù)發(fā)展迅速，有關(guān)牛羊泌乳性狀的基因研究取得了頗為豐碩的成果。研究基于與牛羊泌乳的關(guān)系，其目的就是通過對候選基因進行遺傳變異的篩選進而來改良牛羊等家畜的產(chǎn)奶性能。而目前利用分子標(biāo)記技術(shù)以及DNA分析檢測技術(shù)可以更深入地研究牛羊的泌乳性能，同時為后期保護種質(zhì)資源、加快牛羊遺傳改良以及促進相關(guān)行業(yè)發(fā)展奠定了一定的基礎(chǔ)。