動物功能基因組學研究進展

宋志芳 邢荷巖 解佑志 蘆春蓮 曹洪戰(zhàn)

（河北農(nóng)業(yè)大學動物科技學院，河北保定071000）

動物功能基因組學研究進展

宋志芳 邢荷巖 解佑志 蘆春蓮 曹洪戰(zhàn)*

（河北農(nóng)業(yè)大學動物科技學院，河北保定071000）

隨著基因?qū)W的發(fā)展，研究方向已經(jīng)從結(jié)構(gòu)基因組學逐步轉(zhuǎn)向功能基因組學，進入了后基因組時代，揭秘基因的生物學功能，能夠批量分析基因，提高效率。功能基因組學在動物領(lǐng)域的研究已經(jīng)取得了一定的成果。本文主要對功能基因組學的概念、研究方法以及動物功能基因組學的研究進展進行綜述。

功能基因組學；基因組學；基因表達；比較基因組學

20世紀80年代，Thoms和Roderick提出基因組學的概念[1]，即對基因組進行繪圖和測序分析來研究生物的基因組。基因組學前期主要以在全基因組、全細胞等生物整體水平檢測蛋白質(zhì)、核酸和多糖等為目標，稱為結(jié)構(gòu)基因組學。隨著測序工作的完成，功能基因組學成為研究的焦點，研究方向過渡到從基因組信息與外界環(huán)境關(guān)系的角度來闡述基因的功能。基因測序、全基因組重測序和基因芯片等生物技術(shù)的出現(xiàn)，為基因功能分析積累了大量資料，使得能從單個基因或蛋白質(zhì)的研究延伸到系統(tǒng)水平的全部基因或蛋白質(zhì)，深入發(fā)掘基因的生物學功能。功能基因組學在動物學領(lǐng)域已經(jīng)取得了很多研究成果，為動物育種奠定了基礎。本文主要對功能基因組學的概念、研究方法以及雞、牛和豬等功能基因?qū)W的研究進展進行闡述。

1 功能基因組學概述

1.1 功能基因組學的相關(guān)概念

基因組（genome）概念最早在1924年被提出，泛指某生命體、病毒或細胞器的所有遺傳物質(zhì)[2]。對真核生物而言，基因組就是一套染色體DNA。

基因組學（genom ics）概念最早在1986年由美國科學家提出[3]，指借助DNA測序技術(shù)、DNA繪圖及相關(guān)計算機軟件等，實現(xiàn)基因定位，并分析基因組的結(jié)構(gòu)和功能。基因組學可分為結(jié)構(gòu)基因組學（structure genom ics）、功能基因組學（functionalgenom ics）和比較基因組學（comparative genom ics）三個分支。

結(jié)構(gòu)基因組學以全基因組測序為目標，繪制整個基因組的物理圖譜、轉(zhuǎn)錄圖譜、遺傳圖譜和序列圖譜，通過基因繪圖和核苷酸序列分析來確定基因的組成和定位。研究目標和內(nèi)容主要包括：測定一些很有可能包括所有折疊類型的蛋白和測定果蠅等模式生物的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，是基因組學研究的一個重要領(lǐng)域。

功能基因組學又被稱為后基因組學，利用結(jié)構(gòu)基因組提供的信息，分析和研究整個基因組內(nèi)所含基因和非基因序列的功能，已經(jīng)發(fā)展成系統(tǒng)地研究多個基因或蛋白質(zhì)的功能，分析基因的生物學功能、細胞學功能和發(fā)育學功能等。研究目標主要包括發(fā)現(xiàn)基因功能、分析基因表達模式和突變檢測以及從基因組水平闡述基因的規(guī)律等。

比較基因組學基于基因組圖譜和測序，對已知基因和基因結(jié)構(gòu)進行序列和結(jié)構(gòu)比對，以了解基因的功能、表達調(diào)控機制和物種進化等[4]。

1.2 功能基因組學的研究內(nèi)容

基因在不同個體、不同組織和不同器官的表達存在差異，這種基因表達差異性是進行基因分析的基礎。利用單核苷酸多態(tài)性（SNPs）分析、表達序列標簽（ESTs）分析、基因表達的序列分析（SAGE）、DNA芯片和RNA干擾（RNAi）等功能基因組方法發(fā)掘和了解基因功能。研究內(nèi)容包括以下方面。

1.2.1 基因功能

功能基因組學研究的主要內(nèi)容之一是基因生物學功能（如某些蛋白質(zhì)作為酶類能催化機體的物質(zhì)代謝反應）、發(fā)育學功能（如參與機體形態(tài)發(fā)生過程）和細胞學功能（如參與細胞內(nèi)和細胞間的細胞轉(zhuǎn)導）的研究[5]。研究基因功能有助于了解基因的生理機制和作用機理。基因功能分析的方法是使用相關(guān)軟件（Blast）對Gen-Bank、NCBI和Ensemb l等數(shù)據(jù)庫中已分布的基因序列進行同源比對，主要分析研究基因的時空表達模式、在亞細胞內(nèi)的定位和轉(zhuǎn)錄后調(diào)控、基因的丟失或過表達分析以及受環(huán)境影響基因的表達差異等[6]，以全面研究、探索基因的表達差異和功能以及探索新基因。

1.2.2 基因組的表達和時空調(diào)控

基因在不同組織、不同狀態(tài)和不同發(fā)育階段的表達量和表達水平存在差異。隨著人類基因組計劃的提出和實施，出現(xiàn)了基因組學。隨后，豬、牛、羊和雞等家畜、家禽的基因組陸續(xù)出現(xiàn)，并實施了動物基因組計劃以提高動物生產(chǎn)效率，促進畜牧業(yè)的發(fā)展。

1.2.3 研究蛋白質(zhì)組和蛋白質(zhì)組學

在生命科學領(lǐng)域，基因表達的生物學功能是其蛋白質(zhì)在細胞水平的體現(xiàn)，因此研究蛋白質(zhì)也是功能基因組學研究的內(nèi)容之一。1995年，Wasinger等[7]認為蛋白質(zhì)組是基因編碼的全部蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)組學是研究細胞內(nèi)所有蛋白質(zhì)及其變化規(guī)律的科學，研究內(nèi)容包括蛋白質(zhì)的鑒定、修飾后翻譯、蛋白質(zhì)功能確定和表達模式等，進而揭示生命活動的規(guī)律。目前生命科學已經(jīng)進入后基因組時代，研究單個蛋白質(zhì)已無法滿足時代的需求。因此，蛋白質(zhì)組學是后基因組研究的核心內(nèi)容之一。雖然我國在重大疾病（如腫瘤和癌癥）等方面發(fā)現(xiàn)了一些與之相關(guān)的蛋白，取得了一定的研究成果，但仍有很多問題需要突破。

功能基因組學的內(nèi)容還包括基因組多樣性研究（有助于研究生命起源、進化和動物遷徙以及生物醫(yī)學）和模式生物體的基因組研究（已建立了酵母菌等微生物模型、哺乳動物模型、轉(zhuǎn)基因和基因敲除小鼠模型、果蠅、秀麗新桿線蟲模型和非洲爪蟾模型等）。總之，功能基因組學的研究為揭示基因功能和調(diào)控機制提供了理論基礎。

2 畜禽功能基因組學研究進展

2.1 雞的功能基因組學研究

2004年完成了雞基因組測序草圖，開始了雞功能基因組學的研究，是畜禽中第一個完成全基因組序列測定的物種。Cogburn等[8]根據(jù)基因組草圖推測出雞大約有2萬個功能基因，并建立了EST數(shù)據(jù)庫，用于研究雞已知基因的功能、表達和發(fā)現(xiàn)新基因等。Morgan[9]、Bliss和Dalloul等利用基因芯片和高通量測序等功能基因組檢測技術(shù)進行雞免疫系統(tǒng)方面的研究，全面分析機體抵御細菌感染的機理。此外，有關(guān)雞神經(jīng)分泌系統(tǒng)和代謝系統(tǒng)的基因組研究也取得了一些進展，發(fā)現(xiàn)了一些與之相關(guān)的基因及其表達水平和差異，但是缺乏系統(tǒng)的研究，沒有形成詳細的網(wǎng)絡，仍需進一步完善。20世紀90年代，開始研究雞的蛋白質(zhì)組學，研究整體蛋白質(zhì)的表達調(diào)控、蛋白質(zhì)動態(tài)相互作用和蛋白質(zhì)活性等。作為雞蛋白質(zhì)組學研究的創(chuàng)始人，Beynon最先研究了其肌肉蛋白動力學，為研究蛋白質(zhì)表達量的動態(tài)變化提供了可能。雞功能基因組學的研究，為深入了解生產(chǎn)、繁殖和生長代謝問題提供了基礎，進而提高了雞的生產(chǎn)性能。

2.2 牛的功能基因組學研究

2003年計劃繪制牛的基因組圖譜，2009年完成了海福特牛的基因測序（牛至少有2.2萬個基因），不僅有利于了解牛疾病的遺傳機理，還有利于培育肉質(zhì)好或產(chǎn)奶量高的品種。此后，對牛的基因組進行重測序，利用定制SNP芯片分析牛的遺傳變異，為加速優(yōu)良品種的遺傳選育和遺傳多樣性的發(fā)掘提供了基礎。基因組選擇和全基因組關(guān)聯(lián)分析的研究發(fā)現(xiàn)與肉質(zhì)、產(chǎn)奶量、繁殖力和抗病性等有關(guān)的基因，同時也是研究牛進化的研究手段。Daetwyler等結(jié)合234頭牛的全基因組序列測定和關(guān)聯(lián)分析方法，定位了與牛健康和生產(chǎn)性狀有關(guān)的基因和變異位點（如SMC2基因突變導致胚胎死亡）。Qanbari等發(fā)現(xiàn)KIT、MC1R、NRG4、TMEM132D和TAS2R16等與毛色、性情有關(guān)的基因在進化中受到選擇，同時表明了外觀是動物馴化過程中的一個重要性狀。已有很多與牛大理石花紋、嫩度和肌肉類型等肉質(zhì)性狀有關(guān)的功能基因組學的研究成果，促進了牛肉質(zhì)性狀的遺傳改良，提高了經(jīng)濟效益。例如，鈣蛋白酶基因是影響肉質(zhì)嫩度的主效基因，CAPN1、CAPN3和CAST基因也與嫩度有關(guān)。

2.3 豬的功能基因組學研究進展

豬是一種重要的家畜，基因組序列受到馴化和育種方法的影響。豬的全基因組序列于2012年被公布，組裝后的基因組全長為2.60 Gb，包括21 640個編碼基因。隨后，民豬、梅山豬等豬種的基因組序列也被測定，豐富了基因組信息，為豬功能基因組學的研究提供了龐大的資源庫。Rubin等利用全基因組重測序技術(shù)發(fā)現(xiàn)NR6A1、PLAG1以及LCORL 3個基因與歐洲家豬變長和椎骨數(shù)增加有關(guān)。基因芯片和全基因組重測序技術(shù)充分利用基因信息，結(jié)合序列比對和功能基因組分析方法等，找到影響豬肉質(zhì)、生長、繁殖和抵抗力等性狀的相關(guān)基因和變異位點，并分析其功能。如錢源等分析萊蕪豬PID1基因的結(jié)構(gòu)和功能，發(fā)現(xiàn)其與胰島素信號途徑有關(guān)，作用于糖和脂肪代謝。

2.4 其他畜禽的功能基因組研究進展

山羊和綿羊的基因組序列分別于2012和2014年由華大基因和中國科學院的研究人員公布。基因組序列被公布后，展開了山羊和綿羊分化、羊絨纖維結(jié)構(gòu)基因、免疫力、產(chǎn)奶量和胚胎發(fā)育速度等方面的研究，取得了一些研究成果，發(fā)現(xiàn)了與之相關(guān)的基因和基因功能，也為揭示動物進化和馴化機制提供了信息。鴨和鵝的基因組草圖分別于2013年和2015年被公布（鴨有15 065個基因，鵝有19 144個基因）。目前，其功能基因組學研究尚未深入，需要充分利用基因信息進一步發(fā)掘鴨和鵝的基因及基因功能。

3 小結(jié)

自畜禽的基因組序列陸續(xù)被公布后，就從結(jié)構(gòu)基因組學向功能基因組學過渡，展開了大量基因功能的研究，找到了與性狀、健康和進化等有關(guān)的基因和遺傳位點等，為動物性狀的遺傳改良和揭示生命活動規(guī)律提供了基礎。根據(jù)發(fā)現(xiàn)的基因、SNPs和QTLs等，有助于分子育種加速性狀改良的遺傳進展。隨著功能基因組檢測技術(shù)和分析方法的發(fā)展，會獲得品質(zhì)更加優(yōu)良的畜禽品種，不斷滿足人類的需要。

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（部分參考文獻略，需者可函索）

Q343.1

A

1673-4645(2017)06-0069-03

2017-04-07

河北省科技計劃項目“深縣豬新品系的選育”（15226301D）

宋志芳（1992-），女，山東菏澤人，研究生，研究方向為動物遺傳育種，E-m ail：18730285576@163.com

*通訊作者：曹洪戰(zhàn)（1970-），男，河北藁城人，博士，教授，博士研究生導師，研究方向為養(yǎng)豬生產(chǎn)、動物遺傳育種與繁殖，E-m ail：chz516@126.com