張嘉會(huì)，于政權(quán)*，鄧學(xué)梅

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)生物學(xué)院，農(nóng)業(yè)生物技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，畜禽育種國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100193）

哺乳動(dòng)物的毛發(fā)由表皮分化產(chǎn)生，在晝夜或季節(jié)更替時(shí)可維持動(dòng)物體溫恒定，在日?；顒?dòng)中也可發(fā)揮感知及防護(hù)的功能。毛囊（Hair Follicle）是產(chǎn)生毛發(fā)的組織單元，對(duì)經(jīng)濟(jì)型哺乳動(dòng)物毛囊生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)行的持續(xù)研究推動(dòng)了動(dòng)物纖維生產(chǎn)領(lǐng)域的發(fā)展。其中，羊絨作為一種比羊毛更加纖細(xì)柔軟且具有高保溫效果的動(dòng)物纖維，是重要的世界性經(jīng)濟(jì)產(chǎn)物之一。羊絨的主要產(chǎn)地在中國(guó)，目前，中國(guó)絨山羊種類主要包括內(nèi)蒙古絨山羊、遼寧絨山羊、陜北絨山羊、河西絨山羊和柴達(dá)木絨山羊[1]，羊絨總產(chǎn)量高且品質(zhì)優(yōu)良[2]。

絨山羊皮膚中的毛囊分為初級(jí)毛囊（Primary Hair Follicle）和次級(jí)毛囊（Secondary Hair Follicle），其生長(zhǎng)具有周期性循環(huán)的特點(diǎn)，不斷重復(fù)經(jīng)歷快速增殖的生長(zhǎng)期（Anagen）、細(xì)胞凋亡控制的退化期（Catagen）和穩(wěn)定靜息狀態(tài)的靜止期（Telogen）[3]。初級(jí)毛囊產(chǎn)生長(zhǎng)而粗的有髓質(zhì)羊毛纖維，主要起到保護(hù)作用；次級(jí)毛囊產(chǎn)生短而細(xì)的無(wú)髓質(zhì)羊絨纖維，具有高強(qiáng)度保溫能力[4]。絨山羊的次級(jí)毛囊經(jīng)歷一個(gè)完整的生長(zhǎng)周期大約需要1年，已有大量研究顯示，其生長(zhǎng)周期除了受到環(huán)境或營(yíng)養(yǎng)等因素的影響外，主要由季節(jié)性光照導(dǎo)致血清中褪黑素水平波動(dòng)進(jìn)行調(diào)控[5]。但目前，在基因水平上解析絨山羊次級(jí)毛囊周期性生長(zhǎng)的調(diào)控機(jī)制，還需進(jìn)一步探究。

本文介紹了絨山羊毛囊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和生長(zhǎng)規(guī)律，總結(jié)了褪黑素對(duì)羊絨產(chǎn)量的影響，并綜述了近年來(lái)在對(duì)調(diào)控絨山羊毛囊生長(zhǎng)發(fā)育的基因篩選、部分lncRNA 的調(diào)控作用機(jī)制以及對(duì)絨山羊進(jìn)行基因編輯以改善羊絨產(chǎn)量與品質(zhì)的研究，為進(jìn)一步促進(jìn)我國(guó)羊絨產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供一定參考。

1 絨山羊毛囊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

不同種類哺乳動(dòng)物的被毛形態(tài)差異很大，但其毛囊結(jié)構(gòu)較為一致[6]。如圖1 所示，毛囊由多種細(xì)胞層以同心圓狀排列組成，最外層為結(jié)締組織鞘，其可將毛囊與真皮分隔開(kāi)。結(jié)締組織鞘向內(nèi)依次為外根鞘（Outer Root Sheath，ORS）、內(nèi)根鞘（Inner Root Sheath，IRS）、毛干（Hair shaft，SH），其中內(nèi)根鞘包含4 種細(xì)胞層，由外至內(nèi)依次為伴生層、Henle 層、Huxley 層以及內(nèi)根鞘角質(zhì)層；毛干包含3 種細(xì)胞層，由外至內(nèi)依次為毛干角質(zhì)層、皮質(zhì)層、髓質(zhì)層[7]。毛囊下部結(jié)構(gòu)被稱為毛球（Hair Bulb），為突出的橢圓形增厚結(jié)構(gòu)，包含未分化的基質(zhì)細(xì)胞（Matrix Cell）和黑色素細(xì)胞（Melanocytes）。毛囊最下方是真皮乳突（Dermal Papilla），由一群緊密排列的間充質(zhì)細(xì)胞組成，通過(guò)向上傳遞信號(hào)來(lái)確定毛干的大小、形狀、黑色素生成及沉積，對(duì)于毛干的形態(tài)發(fā)生起著重要的引導(dǎo)作用[8]。

圖1 毛囊細(xì)胞層排布示意圖[7]

毛囊上部結(jié)構(gòu)在生長(zhǎng)周期內(nèi)維持靜態(tài)，主要包含漏斗管（Infundibulum）、峽管（Isthmus）、皮脂腺（Sebaceous Gland）和隆突區(qū)（Bulge）。漏斗管開(kāi)口向上延伸至皮膚表面，隆突區(qū)位于皮脂腺下方與遠(yuǎn)端外根鞘的交匯處，是毛囊干細(xì)胞（Hair Follicle Stem Cells，HFSCs）所在區(qū)域[9]。在退化期，毛囊形態(tài)會(huì)發(fā)生顯著變化，其下部結(jié)構(gòu)隨著細(xì)胞凋亡而不斷皺縮，毛囊總長(zhǎng)度不斷減小，真皮乳突逐漸裸露在毛球之外。凋亡持續(xù)發(fā)生直至隆突區(qū)附近時(shí)停止，基質(zhì)細(xì)胞和內(nèi)根鞘完全消失，外根鞘形成新的次級(jí)毛胚芽（Secondary Hair Germ，SHG）和隆突區(qū)結(jié)構(gòu)[10]，而舊隆突區(qū)中仍會(huì)儲(chǔ)存一部分干細(xì)胞，參與毛囊的損傷修復(fù)。此時(shí)退化期結(jié)束，毛囊會(huì)以這個(gè)形態(tài)度過(guò)靜止期，進(jìn)入新的生長(zhǎng)期，開(kāi)始毛囊的再生過(guò)程（圖2）。

圖2 毛囊不同生長(zhǎng)時(shí)期的結(jié)構(gòu)對(duì)比[11]

2 絨山羊毛囊的生長(zhǎng)及其調(diào)控因素

夏至后日照時(shí)間縮短，此時(shí)次級(jí)毛囊進(jìn)入生長(zhǎng)期，時(shí)間為8—11 月；冬至后日照時(shí)間不斷延長(zhǎng)，次級(jí)毛囊進(jìn)入退化期，羊絨逐漸停止生長(zhǎng)，時(shí)間為12 月至次年2 月；3—7 月時(shí)次級(jí)毛囊處于靜止期，此階段羊絨發(fā)生脫落[12-13]。季節(jié)性光照變化導(dǎo)致絨山羊體內(nèi)褪黑素的分泌發(fā)生波動(dòng)，可通過(guò)調(diào)節(jié)絨山羊血清中褪黑素濃度變化，從而調(diào)控羊絨周期性生長(zhǎng)。

2.1 褪黑素可調(diào)控絨山羊毛囊周期性生長(zhǎng) 褪黑素（n-乙酰-5-甲氧基色胺）是一種高度保守的吲哚，主要由松果體產(chǎn)生，在調(diào)節(jié)哺乳動(dòng)物生理周期、青春期發(fā)育、季節(jié)性適應(yīng)等生理功能中發(fā)揮重要作用[14]。褪黑素受體1 型（MT1）和褪黑素受體2 型（MT2）為細(xì)胞膜受體，類視色素相關(guān)的孤核激素受體（RZR/ROR）為核受體，這兩類受體均屬于具有高親和力的G 蛋白偶聯(lián)受體。褪黑素主要通過(guò)上述受體發(fā)揮其生物學(xué)功能[15]。已有研究顯示，對(duì)成年絨山羊使用外源褪黑素可以刺激羊絨在非生長(zhǎng)期生長(zhǎng)，但會(huì)導(dǎo)致其提前脫落，因此限制了褪黑素在羊絨生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用[16-17]。而在春夏兩季以皮下埋植的方式使用褪黑素則可銜接次級(jí)毛囊的自然生長(zhǎng)期，在不影響絨山羊繁殖性能的情況下增加產(chǎn)絨量，同時(shí)可提升絨毛纖維細(xì)度[18]。褪黑素對(duì)毛囊生長(zhǎng)周期的調(diào)控作用具有物種差異性、性別差異性以及劑量依賴性[19]。對(duì)褪黑素處理過(guò)的絨山羊進(jìn)行長(zhǎng)期研究顯示，褪黑素可提升羊絨纖維的重量、長(zhǎng)度和密度，同時(shí)縮減了纖維直徑，但只在該生長(zhǎng)周期起作用，而對(duì)下個(gè)周期沒(méi)有持續(xù)影響[20]。研究還發(fā)現(xiàn)，褪黑素可提前激活次級(jí)毛囊進(jìn)入生長(zhǎng)期，并增加絨山羊皮膚中活躍次級(jí)毛囊的數(shù)量，從而提升羊絨產(chǎn)量[20]。

褪黑素可通過(guò)影響催乳素（PRL）分泌來(lái)影響絨山羊毛囊的生長(zhǎng)[21]，其能夠抑制毛球角質(zhì)形成細(xì)胞增殖來(lái)促使毛囊提前進(jìn)入退化期[22]。另外，催乳素受體的表達(dá)與毛囊生長(zhǎng)周期一致[23]，當(dāng)光照時(shí)間增加時(shí)，催乳素濃度上升，誘導(dǎo)羊絨脫落；當(dāng)光照時(shí)間縮短，催乳素濃度相應(yīng)降低，促進(jìn)羊絨生長(zhǎng)[24-25]。此外，褪黑素也可通過(guò)胰島素樣生長(zhǎng)因子（IGF）、血小板衍生生長(zhǎng)因子（PDGFA）等細(xì)胞因子調(diào)控絨山羊毛囊的周期性生長(zhǎng)[22]。

2.2 調(diào)控絨山羊毛囊生長(zhǎng)發(fā)育的基因篩選 羊絨產(chǎn)量問(wèn)題一直是限制羊絨市場(chǎng)持續(xù)擴(kuò)大的重要原因[26]。探究絨山羊不同生長(zhǎng)周期內(nèi)差異性表達(dá)基因（Different Expression Gene Set,DEGs）的功能和作用機(jī)制，對(duì)闡明羊絨生長(zhǎng)調(diào)控具有重要作用。因此，尋找調(diào)控絨山羊SHF 的基因及通路成為此領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

通過(guò)對(duì)絨山羊毛囊進(jìn)行二代測(cè)序、DEGs 篩選及通路分析，絨山羊毛囊周期性生長(zhǎng)的分子調(diào)控機(jī)制被逐漸揭示。有研究發(fā)現(xiàn)，KAP3-1、KRTAP 8-1和KRTAP 24-1基因與羊絨生長(zhǎng)周期正相關(guān)，其調(diào)控規(guī)律與羊絨生長(zhǎng)周期一致[27]；在內(nèi)蒙古絨山羊次級(jí)毛囊中發(fā)現(xiàn)FGF5、FGFR1和RRAS基因可影響內(nèi)蒙古絨山羊毛囊的生長(zhǎng)發(fā)育[28]；MAPK、PI3K-Akt、Ras 及Rap1 等信號(hào)通路在絨山羊毛囊生長(zhǎng)周期過(guò)程中發(fā)揮重要的調(diào)控作用[29]。此外，K4 蛋白和銅藍(lán)蛋白在毛囊的生長(zhǎng)周期內(nèi)階段性表達(dá)，其中K4 在毛囊生長(zhǎng)期初期高水平表達(dá)，而在退化期幾乎不表達(dá)，可以作為指示羊絨生產(chǎn)起始與結(jié)束的標(biāo)記，從而確定羊絨采收的最佳時(shí)間，提高羊絨產(chǎn)量[30]。最近，Jin 等[31]利用SNP 芯片對(duì)優(yōu)秀產(chǎn)絨品種內(nèi)蒙古絨山羊、遼寧絨山羊與非產(chǎn)絨品種的黃淮山羊進(jìn)行基因分型檢測(cè)，從眾多候選基因中篩選出WNT10A和CSN3可能參與羊絨生產(chǎn)；Tβ4、ARHGAP6、SHF-DPCs與絨山羊SHF 的生長(zhǎng)發(fā)育密切相關(guān)，其中Tβ4可以促進(jìn)羊絨生長(zhǎng)發(fā)育，是提高羊絨產(chǎn)量的一個(gè)潛在靶點(diǎn)[32]，并篩選出了Tβ4、ARHGAP6、ADAMTS15、CHRD、SPARC、SPOCK1等作為提高羊絨性能的關(guān)鍵候選基因。由此可見(jiàn)，絨山羊的毛發(fā)生長(zhǎng)周期受到多種基因的調(diào)控，是個(gè)復(fù)雜的生物學(xué)過(guò)程。

2.3 非編碼RNA 對(duì)絨山羊毛囊生長(zhǎng)發(fā)育的調(diào)控作用在對(duì)絨山羊毛囊的測(cè)序及轉(zhuǎn)錄組分析的研究中顯示，miRNA 不僅在絨山羊胚胎毛囊的形態(tài)建成中起著關(guān)鍵作用[33]，也可促進(jìn)絨山羊次級(jí)毛囊生長(zhǎng)[34]。miRNA 是一類長(zhǎng)度為20～24 nt 的內(nèi)源lncRNA[35]。已有研究顯示，miR-203、miR-31、miR-196a、miR-195 等miRNA 與毛囊的生長(zhǎng)發(fā)育相關(guān)[36-40]，涉及Wnt、BMP 等多種信號(hào)通路的調(diào)控。另外，Zhang 等[41]篩選出chi-miR-150、chimiR-151-5p、chi-miR-196a、chi-miR-196b、chi-miR-30b-5p、chi-miR-9-5p 6 個(gè)miRNA 與絨山羊毛囊生長(zhǎng)周期調(diào)控密切相關(guān)，并發(fā)現(xiàn)Chi-miR-30b-5p 在靜止期高表達(dá)，可通過(guò)靶向CaMKIIδ 抑制DP 細(xì)胞增殖。除miRNA 外，circRNAs 也可能在絨山羊次級(jí)毛囊的生長(zhǎng)中發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，有研究發(fā)現(xiàn)，circRNA-1926 可通過(guò)作用于miR-148a/b-3p 來(lái)增強(qiáng)CDK19 的表達(dá)，從而促進(jìn)絨山羊SHF 干細(xì)胞的分化[42]。

2.4FGF5對(duì)羊絨纖維長(zhǎng)度的影響 FGF 是成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子，F(xiàn)GF5在哺乳動(dòng)物毛囊生長(zhǎng)中具有重要功能，是人類毛發(fā)生長(zhǎng)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，可誘導(dǎo)毛囊退化[43]。在多種哺乳動(dòng)物的研究中發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)GF5能夠抑制毛囊細(xì)胞的增殖和分化，參與調(diào)控毛發(fā)的長(zhǎng)度性狀[44-47]。絨山羊次級(jí)毛囊的毛干長(zhǎng)度與羊絨的產(chǎn)量密切相關(guān)，其次級(jí)毛囊生長(zhǎng)期持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，毛干長(zhǎng)度越長(zhǎng)，因此羊絨產(chǎn)量也越高。FGF5 受體（FGFR1）在絨山羊皮膚初級(jí)毛囊和次級(jí)毛囊的真皮乳突細(xì)胞中均有表達(dá)[48]，F(xiàn)GF5突變后，毛囊細(xì)胞持續(xù)增殖分化導(dǎo)致毛囊延緩進(jìn)入靜止期，從而可顯著增加羊絨纖維長(zhǎng)度。絨山羊FGF5的5'-UTR 中1 個(gè)新SNP 的等位基因頻率與短毛山羊存在很大差異，該位點(diǎn)突變引入了1 個(gè)起始密碼子，導(dǎo)致FGF5 蛋白提早編碼，這可能是導(dǎo)致絨山羊長(zhǎng)毛表型的自然突變[49]。

隨著CRISPR/Cas9 技術(shù)的誕生，許多研究對(duì)多個(gè)品種羊進(jìn)行了基因編輯，希望從根源上實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)絨山羊品種的改良。Wang 等[50]驗(yàn)證了CRISPR/Cas9 系統(tǒng)在大型動(dòng)物模型中的適用性和有效性，實(shí)現(xiàn)對(duì)山羊FGF5和MSTN2種功能基因的同步編輯[51]，并制造出長(zhǎng)毛且SHF 數(shù)量增多的FGF5基因修飾山羊；Li 等[52]成功制造了FGF5s異位表達(dá)的轉(zhuǎn)基因綿羊共20 只，在存活的12 只轉(zhuǎn)基因綿羊中均觀察到FGF5s的異位表達(dá)，且毛長(zhǎng)明顯長(zhǎng)于非轉(zhuǎn)基因?qū)φ?。Zhang 等[53]鑒定了羊?qū)貴GF5（oFGF5）基因序列，利用CRISPR/Cas 系統(tǒng)成功構(gòu)建了FGF5 敲除綿羊，進(jìn)一步揭示了FGF5調(diào)控毛囊發(fā)育的進(jìn)化生物學(xué)及結(jié)構(gòu)生物學(xué)特性。這些研究為產(chǎn)絨品種羊的優(yōu)化改良提供了思路，為羊絨產(chǎn)業(yè)的持續(xù)擴(kuò)大奠定了基礎(chǔ)。

3 結(jié) 語(yǔ)

羊絨是一種保溫效果優(yōu)秀的動(dòng)物纖維，由絨山羊的次級(jí)毛囊產(chǎn)生，通過(guò)延長(zhǎng)次級(jí)毛囊的生長(zhǎng)期、縮短靜止期，可以提升產(chǎn)絨量。大量研究表明，使用褪黑素可提升羊絨纖維的質(zhì)量指標(biāo)，并增加絨山羊皮膚中活躍次級(jí)毛囊的數(shù)量，從而提升羊絨產(chǎn)量。但褪黑素的效果維持時(shí)間短，且在使用中存在諸多不確定因素，導(dǎo)致無(wú)法從根源上穩(wěn)定改善產(chǎn)絨。因此，近年來(lái)，許多研究致力于揭示提高羊絨產(chǎn)量潛在基因靶點(diǎn)，篩選出了FGF5、Tβ4、KAP3-1等關(guān)鍵調(diào)控基因，并發(fā)現(xiàn)眾多LncRNA參與絨山羊次級(jí)毛囊的調(diào)控過(guò)程。目前已有研究人員對(duì)多種絨山羊及綿羊進(jìn)行基因編輯，這些研究的積累為產(chǎn)絨及產(chǎn)毛羊品種的不斷優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)，為進(jìn)一步擴(kuò)大羊絨生產(chǎn)規(guī)模提供了借鑒，具有重要科學(xué)意義。