首个山羊基因组图谱在自然生物技术杂志发表

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为解决复杂基因组组装难题提供新思路

首个山羊基因组图谱在《自然生物技术》杂志发表

【中国经济新闻联播讯 记者 易全】由中科院昆明动物研究所、深圳华大基因研究院等单位合作完成的首个山羊全基因组图谱，本月24日在《自然生物技术》（Nature Biotechnology）杂志在线发表。本研究采用新一代测序技术（NGS）与全基因组酶切图谱（Whole-genome mapping）技术相结合的方法，成功克服了山羊基因组的组装难题，提供了首个小型反刍动物参考基因组，这将有助于进一步研究反刍动物与非反刍动物之间的区别，并为大的复杂基因组的组装工作提供新思路。

山羊是最早被人类驯化的动物之一。已有证据表明山羊最早起源于中亚细亚一带的角羊，目前在全球范围内尤其是中国、印度及其他发展中国家被广泛饲养。从人类文明始，山羊便为人类提供肉、奶、皮、毛等，逐渐成为农业和经济发展的重要支柱。山羊现在还可作为生物医学研究的模型，用于复杂性状的遗传学基础研究。尽管其重要性如此之高，但由于缺乏参考基因组，目前对山羊的遗传育种研究还略显滞后，而山羊基因组测序对于遗传标记辅助育种和改善山羊的经济性状具有重要作用。

本研究中，科研人员对一只雌性云南黑山羊进行了全基因组测序。虽然目前的测序技术已十分成熟，但将短序列组装并定位到染色体上却非易事。研究人员采用了全基因组酶切图谱技术作为传统组装方法的辅助手段对山羊基因组进行组装拼接，得到超长scaffold；然后再利用山羊与牛的保守共线性关系，将其定位到染色体上。转座子是哺乳动物基因组中的重要组成部分，在基因组和基因进化中发挥很大作用。研究人员发现，山羊基因组中的转座子与牛的类似，都包含大量的反刍动物特异性重复序列，但在牛的基因组中，SINE-BovA类型转座子居多；而在山羊中，SINE-tRNA转座子显著较多。通过进一步对山羊基因组中各种类型的转座子分化程度进行分析，研究人员发现其中很少有较近时期分化的转座子。

基因注释后，通过比较基因组分析，研究人员发现山羊与牛的亲缘关系较近，二者大约在2300万年前分化。此外，山羊基因组中约有44个基因受到正选择，其中7个与免疫相关，这与牛基因组中一致；另外还有3个垂体功能相关的基因发生快速进化，这可能与产奶量、胚胎发育速度以及羊毛变化等相关。随后研究人员进一步分析了山羊基因家族扩张与收缩情况。他们发现3个与味觉受体相关的基因亚家族发生扩张，而仅有1个亚家族收缩，推测这可能与山羊的觅食能力相关；同时还发现铁蛋白重链多肽-1基因（FTH1）扩张至人类的7倍、牛的2倍，并推测这可能与山羊强大的解毒及觅食能力相关。因为铁蛋白在铁离子螯合、解毒和贮存中发挥着重要作用。

主要组织相容性复合体（MHC）决定着动物的免疫排斥反应，同时也与动物的抗病能力有较强的相关性。研究人员还对山羊的MHC进行了研究。他们发现山羊MHC位于23号染色体，由两个区域组成，大小分别为2.25Mb和360Kb，其中包含160个蛋白编码基因。山羊MHC的详细信息对山羊的免疫和接种有重要价值。

哺乳动物的毛发是由皮肤毛囊生成的高度角质化组织，有两种不同类型的毛囊。初级毛囊存在于所有哺乳动物中仅产生被毛，而次级毛囊则存在于山羊等动物中产生羊绒和细羊绒，羊绒纤维主要从绒山羊获得。虽然中国具有悠久的羊绒生产史，并且是全球最大的羊绒生产国，但对于羊绒形成和发育的分子机制却知之甚少。

在本研究中，研究人员对初级毛囊和次级毛囊进行了转录组研究，以鉴定不同毛囊中的分子变化。通过一系列的分析，发现其中有2个角蛋白基因和10个角蛋白辅助蛋白基因，在所有样本的初级毛囊和次级毛囊中存在基因表达差异，并可在次级毛囊中高度表达，这表明角蛋白及角蛋白辅助蛋白基因在羊绒纤维结构中起重要作用。角蛋白辅助蛋白可分为三大类：高硫角蛋白辅助蛋白、超高硫角蛋白辅助蛋白和高甘氨酸酪氨酸蛋白。在初级毛囊和次级毛囊中差异表达的都是超高硫角蛋白辅助蛋白基因，表明超高硫角蛋白辅助蛋白对羊绒的形成也很重要。其他在次级毛囊中上调的基因还包括：促进羊绒生长中期转化的纤维母细胞生长因子21基因，在Wnt通路中调节-catenin功能、促进毛囊发育的酪蛋白激酶I基因。

次级毛囊中下调基因主要是两种氨基酸生物合成酶天冬氨酰合成酶和磷酸丝氨酸转氨酶。二者分别在天冬酰胺和丝氨酸合成中发挥重要作用，因此这两种氨基酸在初级毛囊的发育中更具意义；其他下调基因还有缝隙连接-1蛋白和桥粒芯蛋白，二者分别在毛囊细胞细胞通讯和毛囊形态发生中具有重要作用；异戊二烯基二磷酸-异构酶和细胞视黄酸结合蛋白则与视黄酸合成相关，能够调节毛发生长和毛发循环。

华大基因副院长、该项目负责人徐讯表示，通过结合第二代测序技术与全基因组酶切图谱技术完成的山羊基因组图谱，为分子标记辅助山羊育种奠定了基础，将促进反刍类的比较基因组学研究。对绒山羊初级毛囊和次级毛囊转录组的比较分析，将为绒山羊羊绒品质的改良提供新方向。