首個山羊基因組圖譜在《自然?生物技術》雜志發表

　　2012年12月24日，由中國科學院昆明動物研究所、深圳華大基因研究院等單位合作完成的首個山羊全基因組圖譜在《自然?生物技術》(Nature Biotechnology)雜志在線發表。本研究采用新一代測序技術(NGS)與全基因組酶切圖譜(Whole-genome mapping)技術相結合的方法成功克服了山羊基因組的組裝難題，提供了首個小型反芻動物參考基因組，將有助于進一步研究反芻動物與非反芻動物之間的區別，并為大的復雜基因組的組裝工作提供了新思路。

　　山羊是最早被人類馴化的動物之一。已有證據表明，山羊最早起源于中亞細亞一帶的角羊，目前在全球范圍內尤其是中國、印度及其他發展中國家被廣泛飼養。從人類文明起始，山羊便為人類提供肉、奶、皮、毛等，逐漸成為農業和經濟發展的重要支柱。此外，山羊現在還可作為生物醫學研究的模型，用于復雜性狀的遺傳學基礎研究。盡管其重要性如此之高，由于缺乏參考基因組，目前對山羊的遺傳育種研究還略顯滯后，而山羊基因組測序對于遺傳標記輔助育種、改善山羊的經濟性狀具有重要作用。

　　在本研究中，科研人員對一只雌性云南黑山羊進行了全基因組測序。雖然目前的測序技術已十分成熟，但將短序列組裝并定位到染色體上并非易事。研究人員在此采用全基因組酶切圖譜技術作為傳統組裝方法的輔助手段對山羊基因組進行了組裝拼接，得到超長scaffold，然后再利用山羊與牛的保守共線性關系，將其定位到染色體上。轉座子是哺乳動物基因組中的重要組成部分，在基因組和基因進化中可發揮很大作用。研究人員發現，山羊基因組中的轉座子與牛的類似，都包含大量的反芻動物特異性重復序列，但是在牛的基因組中SINE-BovA類型轉座子居多，而在山羊中SINE-tRNA轉座子顯著較多。通過進一步對山羊基因組中各種類型的轉座子分化程度進行分析，研究人員發現其中很少有較近時期分化的轉座子。

　　基因注釋后，通過比較基因組分析，研究人員發現山羊與牛的親緣關系較近，二者大約在2300萬年前分化。此外，山羊基因組中約有44個基因受到正選擇，其中7個與免疫相關，這與在牛基因組中是一致的;另外還有3個垂體功能相關的基因發生快速進化，這可能與產奶量、胚胎發育速度以及羊毛變化等相關。隨后，研究人員進一步分析了山羊基因家族擴張與收縮情況。他們發現3個與味覺受體相關的基因亞家族發生擴張，而僅有1個亞家族收縮，推測這可能與山羊的覓食能力相關;同時還發現鐵蛋白重鏈多肽-1基因(FTH1)擴張至人類的7倍、牛的2倍，并推測這可能與山羊強大的解毒及覓食能力相關。因為鐵蛋白在鐵離子螯合、解毒和貯存中發揮著重要作用。

　　主要組織相容性復合體(MHC)決定著動物的免疫排斥反應，同時也與動物的抗病能力有較強的相關性。研究人員還對山羊的MHC進行了研究。他們發現山羊MHC位于23號染色體，由兩個區域組成，大小分別為2.25Mb和360Kb，其中包含160個蛋白編碼基因。山羊MHC的詳細信息，將對山羊的免疫和接種具有重要價值。

　　哺乳動物的毛發是由皮膚毛囊生成的高度角質化的組織，有兩種不同類型的毛囊，初級毛囊存在于所有哺乳動物中僅產生被毛，而次級毛囊則存在于山羊等動物中產生羊絨和細羊絨，而羊絨纖維主要從絨山羊獲得。雖然中國具有悠久的羊絨生產歷史，并且是全球最大的羊絨生產國，但是對于羊絨形成和發育的分子機制卻知之甚少。

　　在本研究中，研究人員對初級毛囊和次級毛囊進行了轉錄組研究，以鑒定不同毛囊中的分子變化。通過一系列的分析，發現其中有2個角蛋白基因和10個角蛋白輔助蛋白基因在所有樣本的初級毛囊和次級毛囊中存在基因表達差異，并可在次級毛囊中高度表達，這表明角蛋白及角蛋白輔助蛋白基因在羊絨纖維結構中起著重要作用。角蛋白輔助蛋白可分為三大類：高硫角蛋白輔助蛋白、超高硫角蛋白輔助蛋白和高甘氨酸酪氨酸蛋白。在初級毛囊和次級毛囊中差異表達的都是超高硫角蛋白輔助蛋白基因，表明超高硫角蛋白輔助蛋白對羊絨的形成也很重要。其他在次級毛囊中上調的基因還包括：促進羊絨生長中期轉化的纖維母細胞生長因子21基因，在Wnt通路中調節β-catenin功能、促進毛囊發育的酪蛋白激酶Iε基因。

　　次級毛囊中下調基因主要是兩種氨基酸生物合成酶――天冬氨酰合成酶和磷酸絲氨酸轉氨酶，二者分別在天冬酰胺和絲氨酸合成中發揮重要作用，因此這兩種氨基酸在初級毛囊的發育中更具意義。其他下調基因還有縫隙連接α-1蛋白和橋粒芯蛋白，二者分別在毛囊細胞細胞通訊和毛囊形態發生中具有重要作用;異戊二烯基二磷酸δ-異構酶和細胞視黃酸結合蛋白則與視黃酸合成相關，能夠調節毛發生長和毛發循環。

　　華大基因副院長、該項目負責人徐訊表示，“通過結合第二代測序技術與全基因組酶切圖譜技術完成的山羊基因組圖譜，為分子標記輔助山羊育種奠定了基礎，將促進反芻類的比較基因組學的研究。對絨山羊初級毛囊和次級毛囊轉錄組的比較分析，將為絨山羊羊絨品質的改良提供新方向。”