巴恒星，胡鵬飛，李春義

綜 述

鹿科動(dòng)物基因組學(xué)研究進(jìn)展

巴恒星1,2，胡鵬飛1,2，李春義1,2

1. 長春科技學(xué)院，鹿茸科學(xué)與產(chǎn)品技術(shù)研究所，長春 130112 2. 吉林省鹿茸生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130112

鹿科動(dòng)物是世界上最豐富的大型哺乳動(dòng)物之一，在極北地區(qū)、熱帶地區(qū)和高海拔地區(qū)都有分布。中國占世界鹿科動(dòng)物40%以上，是鹿科動(dòng)物進(jìn)化的主戰(zhàn)場。鹿科動(dòng)物除了具有反芻動(dòng)物常見的獨(dú)特表型特征外，更是進(jìn)化出周期性再生新器官——鹿茸角。鹿科動(dòng)物是研究生態(tài)學(xué)、行為學(xué)和進(jìn)化生物學(xué)非常有價(jià)值的動(dòng)物模型，特別是在研究哺乳動(dòng)物器官再生方面具有重要科學(xué)價(jià)值。鹿基因組是系統(tǒng)闡述鹿的進(jìn)化和演變，解析鹿科動(dòng)物獨(dú)特生物學(xué)性狀的依據(jù)，對遺傳資源保護(hù)和利用具有重要意義。目前，隨著鹿科動(dòng)物參考基因組的不斷完善，在鹿基礎(chǔ)科學(xué)研究上取得了諸多重要成果。本文詳細(xì)綜述了鹿科動(dòng)物基因組學(xué)研究進(jìn)展，主要包括鹿遺傳變異數(shù)據(jù)、適應(yīng)性進(jìn)化分子基礎(chǔ)、獨(dú)特性狀鹿茸角的起源進(jìn)化關(guān)鍵基因和功能基因組學(xué)，以期為鹿科動(dòng)物的深入研究奠定理論基礎(chǔ)。

鹿科動(dòng)物；參考基因組；遺傳變異；適應(yīng)性進(jìn)化；鹿茸角；功能基因組學(xué)

鹿科(Cervidae)包括4個(gè)亞科，分別是鹿亞科(Cervinae)、獐亞科(Hydropotinae)、麂亞科(Mun-tiacinae)和空齒鹿亞科(Odocoileinae)，共16屬約52種，在反芻亞目里，種類上僅次于?？?Bovidae)，在極北地區(qū)、熱帶地區(qū)和高海拔地區(qū)都有分布。中國是鹿類動(dòng)物最豐富的國家之一，占世界鹿科動(dòng)物40%以上，是鹿科動(dòng)物進(jìn)化的主戰(zhàn)場[1]。鹿科動(dòng)物除了具有反芻動(dòng)物常見的獨(dú)特表型特征外，更是進(jìn)化出周期性再生新器官——鹿茸角?？茖W(xué)家們普遍認(rèn)為，鹿科動(dòng)物是非常有價(jià)值的生態(tài)學(xué)、行為學(xué)和進(jìn)化生物學(xué)的研究模型[1]，特別是哺乳動(dòng)物器官再生的研究模型[2]，具有重要科學(xué)價(jià)值。

近年來高通量測序技術(shù)日新月異，推動(dòng)了動(dòng)物基因組學(xué)的飛速發(fā)展，基因組學(xué)研究方法也在不斷地創(chuàng)新和改進(jìn)，這些都為鹿科動(dòng)物基因組學(xué)研究創(chuàng)造了前所未有的機(jī)遇，迎來鹿科學(xué)研究的新時(shí)代。目前，相關(guān)領(lǐng)域的研究人員已產(chǎn)生了大量鹿科動(dòng)物的基因組學(xué)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上使解析鹿科動(dòng)物的適應(yīng)性進(jìn)化分子基礎(chǔ)、探究鹿茸角起源進(jìn)化及鹿茸角再生發(fā)育相關(guān)通路和基因成為可能。不僅如此，基因組學(xué)研究還有利于加速家養(yǎng)鹿類動(dòng)物品種培育和遺傳改良進(jìn)程。本文對近年來鹿科動(dòng)物基因組學(xué)研究領(lǐng)域所取得的重要進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)地分析和總結(jié)，也對今后該領(lǐng)域研究方向進(jìn)行了展望，以期為解析鹿科動(dòng)物獨(dú)特的生物學(xué)性狀和遺傳資源保護(hù)利用提供參考依據(jù)。

1 鹿科動(dòng)物基因組資源

1.1 基因組參考序列

鹿科動(dòng)物基因組測序起步較晚，2011年首次由美國貝勒醫(yī)學(xué)院在NCBI GenBank上公開了白尾鹿()基因組，但未見文章發(fā)表。2014年也發(fā)布了西方狍()基因組Contig序列，仍未見文章報(bào)道。2017年，Li等[3]在和中國國家基因庫(China National GeneBank, CNGB)上發(fā)表了馴鹿()基因組。通過構(gòu)建9個(gè)不同長度插入片段測序文庫，基于Illumina HiSeq 4000平臺(tái)測序，組裝2.64 Gb的馴鹿基因組草圖，Contig和Scaffold N50大小分別為89.7 kb和0.94 Mb，注釋了21,555個(gè)蛋白編碼基因。隨著基因組測序成本快速降低，最近3年，鹿科動(dòng)物基因組序列發(fā)表數(shù)量迅速增加，已達(dá)16個(gè)鹿種(表1)，涵蓋了鹿科動(dòng)物所有4個(gè)亞科，它們基因組組裝大小在2.5~2.8 Gb之間，但這些鹿基因組仍處于草圖水平，質(zhì)量還有待進(jìn)一步提升。為了更好地利用基因組數(shù)據(jù)解析鹿科動(dòng)物的特殊表型性狀，本文歸納了這16個(gè)鹿種的系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系，并進(jìn)一步總結(jié)了它們的染色體核型、形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)(圖1)及自然地理分布(圖2)。

目前，僅有5個(gè)鹿科動(dòng)物的基因組組裝到染色體水平，分別是塔里木馬鹿()、赤鹿()、小麂()、赤麂()和梅花鹿(Nippon)。Ba等[4]利用由38,083個(gè)單核苷酸多態(tài)性位點(diǎn)(single nucleotide polymorphism, SNP)組成的高密度遺傳連鎖圖譜[5]將塔里木馬鹿基因組95.9%序列組裝到34對染色體。其中，3號(hào)、8號(hào)和31號(hào)染色體僅由1個(gè)Scaffold組成。這34對染色體組裝大小與遺傳圖譜評(píng)估大小相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.987。由于構(gòu)建大型野生動(dòng)物遺傳圖譜十分困難，利用Hi-C技術(shù)組裝基因組染色體也是目前最有力技術(shù)手段。Mudd等[6]利用Hi-C技術(shù)完成了小麂(2=?46)和赤麂(2=6♀/7♂)基因組的染色體組裝。類似地，梅花鹿基因組也是通過Hi-C技術(shù)掛載到33對染色體上，但未見文章報(bào)道。

馬鹿/赤鹿()是鹿科動(dòng)物中最大的類群，由22個(gè)亞種組成，分布在歐洲南部和中部、北美洲、非洲北部和亞洲。在生態(tài)學(xué)、生物多樣性和種間雜交等研究領(lǐng)域中，該類群研究最為廣泛而備受關(guān)注。塔里木馬鹿是中亞僅有的亞種，被認(rèn)為是最原始亞種[7]，有特殊的進(jìn)化地位，其染色體水平基因組圖譜將為馬鹿/赤鹿類群，乃至整個(gè)鹿類動(dòng)物的科學(xué)研究提供最有價(jià)值的參考基因組數(shù)據(jù)資源。

表1 鹿科動(dòng)物16個(gè)參考基因組基本信息

a：GenBank登錄號(hào)GCA_002102435.1；b：GenBank登錄號(hào)GCA_000751575.1；c：GenBank 登錄號(hào)GCA_007570765.1；d：CNGB登錄號(hào)GWHANOY00000000。

1.2 基因組變異資源

由于鹿科動(dòng)物參考基因組缺乏，而且對野生動(dòng)物進(jìn)行大規(guī)?；蚪M測序顯然不太現(xiàn)實(shí)。目前，鹿科動(dòng)物的遺傳變異數(shù)據(jù)主要是基因組SNP位點(diǎn)，其主要來源于簡化基因組測序[11,19~23]、牛和羊SNP芯片跨科物種分型[24,25]以及保守牛外顯子目標(biāo)測序[26]和低覆蓋率重測序[27,28](表2)，這嚴(yán)重制約了鹿科動(dòng)物基因組變異數(shù)據(jù)的產(chǎn)出效率和質(zhì)量。比如，通常簡化基因組測序僅產(chǎn)生相當(dāng)于1%~2%的基因組的SNP數(shù)據(jù)[22]，另外簡化基因組測序短序列聚類時(shí)，多拷貝重復(fù)序列容易導(dǎo)致SNP位點(diǎn)的假陽性[29]。

在跨科物種SNP分型上，Haynes等[24]利用牛BovineSNP50芯片對北美白尾鹿和黑尾鹿()進(jìn)行分型，分型成功率僅為38.7%。Kharzinova等[25]利用BovineSNP50和OvineSNP50芯片對馴鹿進(jìn)行分型，分型成功率也僅為43.0%和47.0%。Shafer等[30]闡述在?？坪吐箍?分化時(shí)間大約2~3千萬年)之間跨芯片分型是不合適的，不僅分型成功率低，而且多態(tài)位點(diǎn)僅為1%。

Brauning等[28]對馬鹿/赤鹿類群8只個(gè)體基因組進(jìn)行了低覆蓋率重測序，利用?；蚪M做參考比對并結(jié)合嚴(yán)格的SNP篩選策略，共獲得了1.8×105個(gè)SNP位點(diǎn)，產(chǎn)生了Illumina CervusSNP50芯片。Rowe等[31]利用CervusSNP50芯片對9個(gè)鹿種共396只個(gè)體進(jìn)行SNP分型檢測，分型成功率為82.3%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于牛羊芯片的分型成功率。Johnston等[5]利用CervusSNP50芯片構(gòu)建了馬鹿/赤鹿類群的遺傳連鎖圖譜，其標(biāo)記密度和圖譜的完整性遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于Slate等[32]在2002年發(fā)表的僅含有600個(gè)標(biāo)記的鹿遺傳圖譜。

圖1 16個(gè)基因組測序鹿種系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系及表型數(shù)據(jù)

系統(tǒng)進(jìn)化拓?fù)潢P(guān)系參考文獻(xiàn)[14~16]，表型數(shù)據(jù)參考圖書《中國鹿科動(dòng)物》[1]和《The Biology of Deer》[17]，核型數(shù)據(jù)參考王宗仁等[18]，鹿科動(dòng)物照片來源于Wikimedia共享(https://commons.wikimedia.org/)。體重和角重均為平均值。

我國鹿類動(dòng)物遺傳資源十分豐富，同時(shí)也是重要的家養(yǎng)經(jīng)濟(jì)動(dòng)物。Hu等[33]對我國5個(gè)主要鹿種(包含21個(gè)亞種/群體)進(jìn)行了簡化基因組測序，平均測序深度16×，獲得197,543個(gè)SNP位點(diǎn)，并進(jìn)行了遺傳多樣性和系統(tǒng)進(jìn)化分析。Ba等[19]對我國東北7個(gè)地區(qū)飼養(yǎng)的42只梅花鹿純種個(gè)體進(jìn)行雙酶切簡化基因組測序，平均測序深度23×，共篩選98,166個(gè)SNP位點(diǎn)，平均個(gè)體SNP密度為0.74 SNPs/kb，略高于經(jīng)歷過嚴(yán)重群體瓶頸的麋鹿(0.51 SNPs/kb)[34]，但低于大熊貓(1.32 SNPs/kb)[35]和荷斯坦奶牛(1.35 SNPs/kb)[36]約2倍，而且出現(xiàn)雜合子缺陷。這些結(jié)果表明人們長期以茸重性狀為單一育種目標(biāo)，強(qiáng)烈的人工選擇導(dǎo)致梅花鹿飼養(yǎng)群體經(jīng)歷了嚴(yán)重的凈化和遺傳漂變。Hu等[27]通過基因組重測序?qū)γ坊孤谷赘弋a(chǎn)和低產(chǎn)性狀進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，共獲得94個(gè)與鹿茸重量相關(guān)的候選SNP位點(diǎn)。Hu等[37]進(jìn)一步利用這94個(gè)SNP位點(diǎn)對341只個(gè)體進(jìn)行分型，并結(jié)合高、低產(chǎn)鹿茸轉(zhuǎn)錄組學(xué)基因表達(dá)數(shù)據(jù)[38]，篩選出16個(gè)SNP位點(diǎn)與茸重性狀顯著相關(guān)。

圖2 16個(gè)基因組測序鹿種的自然地理分布示意圖

數(shù)據(jù)來源于IUCM Red List網(wǎng)站(https://www.iucnredlist.org/)。

由于不同鹿種之間能夠雜交且后代可育，人們?yōu)榱朔庇弋a(chǎn)性狀的茸鹿，經(jīng)常在飼養(yǎng)梅花鹿和馬鹿之間進(jìn)行雜交。Ba等[20]對純種梅花鹿和馬鹿及雜交F1共30只個(gè)體進(jìn)行雙酶切簡化基因組測序，平均測序深度15×，獲得2015個(gè)梅花鹿和馬鹿種特異SNP標(biāo)簽，這些標(biāo)簽為純種和雜交種鑒定奠定了基礎(chǔ)。在鹿種鑒定上，Xie等[39]也通過挖掘鹿科動(dòng)物基因組中保守且與牛羊比較存在突變位點(diǎn)的編碼基因，最終在基因序列上開發(fā)出1對鹿科動(dòng)物PCR通用引物，與鹿種特異引物相比，通用引物節(jié)省了更多的人力和物力。

在鹿科動(dòng)物基因組測序之前，科學(xué)家通常利用幾個(gè)牛微衛(wèi)星多態(tài)(short tandem repeats, STRs)標(biāo)記對鹿科動(dòng)物進(jìn)行分型，由于標(biāo)記數(shù)量少，多態(tài)信息嚴(yán)重不足。隨著高通量測序技術(shù)發(fā)展，鹿科動(dòng)物STRs也被快速批量開發(fā)。Jia等[40]在梅花鹿多種組織轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)[41]中開發(fā)了29個(gè)STRs，對140只個(gè)體進(jìn)行茸重性狀關(guān)聯(lián)分析，找到8個(gè)顯著關(guān)聯(lián)的標(biāo)記。Wang等[42]在梅花鹿基因組數(shù)據(jù)中開發(fā)了29個(gè)STRs，其中10個(gè)高度多態(tài)的STRs被用作梅花鹿親子鑒定標(biāo)記，排除準(zhǔn)確率達(dá)99.99%?？傊箍苿?dòng)物遺傳變異數(shù)據(jù)的獲得不僅對鹿科學(xué)研究極具價(jià)值，也能為開發(fā)和利用經(jīng)濟(jì)價(jià)值極高的家養(yǎng)鹿類動(dòng)物提供強(qiáng)有力的遺傳分析和改良工具。

表2 鹿科動(dòng)物基因組變異資源

a：具有多態(tài)性；b：物種特異的SNP；c：最小等位頻率至少大于0.05。

2 比較基因組學(xué)

2.1 染色體核型進(jìn)化

染色體重排在驅(qū)動(dòng)進(jìn)化中的作用一直是進(jìn)化生物學(xué)的長期問題。Farre等[45]重構(gòu)了反芻動(dòng)物祖先染色體核型，發(fā)現(xiàn)反芻動(dòng)物祖先與鯨偶蹄目(Cetar-tiodactyla)分離后染色體重排主要發(fā)生在染色體內(nèi)部，而在反芻亞目(Ruminantia)的有角下目(Pecora)譜系中，染色體重排也發(fā)生在染色體之間。反芻動(dòng)物染色體斷點(diǎn)區(qū)域附近的基因在物種之間，尤其是在牛中表現(xiàn)出更多的差異表達(dá)，并且在具有增強(qiáng)子的基因中差異更大，與這些斷點(diǎn)區(qū)域的系統(tǒng)發(fā)生起源相一致。這些結(jié)果表明與染色體重排共定位的譜系特異性調(diào)控元件可能提供了有助于塑造反芻動(dòng)物進(jìn)化有價(jià)值的功能修飾。

在鹿科動(dòng)物中，麂屬動(dòng)物的核型在較短的分化時(shí)間內(nèi)(僅數(shù)百萬年)發(fā)生了巨大變化。除小麂(2= 46)外，其他麂屬動(dòng)物的染色體數(shù)目通常只有6~9條，其中赤麂(2=6♀/7♂)是哺乳動(dòng)物中染色體數(shù)目最少的物種。因此，麂屬動(dòng)物成為研究哺乳動(dòng)物染色體核型生物學(xué)研究的理想材料。通過細(xì)菌人工染色體文庫的熒光原位雜交建立了麂屬動(dòng)物之間的高分辨比較染色體圖譜，確定了麂屬動(dòng)物染色體的串聯(lián)融合進(jìn)化方式[46~51]。最近，Mudd 等[6]通過基因組測序和染色體組裝，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)小麂和赤麂這兩個(gè)近緣麂顯著的核型差異主要是在基因組上發(fā)生了大范圍的染色體串聯(lián)融合事件，而核型急劇變化對局部染色體改變影響甚小，甚至在融合位點(diǎn)附近參與染色體維護(hù)的基因很少顯示出快速進(jìn)化的證據(jù)。對于不同鹿種的染色體進(jìn)化，Huang等[52]證實(shí)梅花鹿(2= 33)和馬鹿(2=34)的染色體核型進(jìn)化過程中存在唯一的羅伯遜易位。

另外，性染色體起源及演化機(jī)制一直是進(jìn)化生物學(xué)家最感興趣的科學(xué)問題之一。Huang等[53]研究發(fā)現(xiàn)雄性黑麂基因組中1號(hào)常染色體短臂(1p)和4號(hào)常染色體發(fā)生羅伯遜易位，之后又經(jīng)歷了復(fù)雜的內(nèi)部重排形成年輕新性染色體1p+4。Zhou等[54]研究發(fā)現(xiàn)黑麂與哺乳動(dòng)物Y染色體的演化歷程相似，可以成為哺乳動(dòng)物性染色體演化研究的珍貴模型。關(guān)于麂屬動(dòng)物的染色體核型進(jìn)化，Huang等[55]在2012年進(jìn)行了詳細(xì)綜述，限于篇幅限制，本文不再綜述。

2.2 適應(yīng)性進(jìn)化

鹿科動(dòng)物在北極和熱帶均有分布，一些鹿種在長期進(jìn)化中已經(jīng)適應(yīng)了極端環(huán)境。最近，Lin等[56]揭示了馴鹿適應(yīng)北極環(huán)境分子機(jī)制。通過比較基因組發(fā)現(xiàn)馴鹿維生素D代謝通路中的兩個(gè)關(guān)鍵基因(和)受到了強(qiáng)烈的自然選擇，基因編碼酶的活性比山羊和狍子()高，這可能使馴鹿對鈣的吸收能力大大增強(qiáng)。脂蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)()和脂質(zhì)合成()兩個(gè)重要基因在馴鹿中也發(fā)生了選擇性突變，這兩個(gè)基因也參與了企鵝()和北極熊()脂肪代謝進(jìn)化，表明極地動(dòng)物能量代謝經(jīng)歷了趨同進(jìn)化。馴鹿節(jié)律通路中的核心調(diào)控基因()發(fā)生了馴鹿特異性突變，導(dǎo)致基因與另一個(gè)節(jié)律核心基因()無法結(jié)合，使得馴鹿喪失了晝夜節(jié)律分子鐘而適應(yīng)北極極晝和極夜的環(huán)境。這些結(jié)果使人們對極地動(dòng)物的適應(yīng)性在分子水平上有了更深入和全面的了解，也為解決人類一些健康問題提供了重要線索，如維生素D對鈣沉積的影響、生物鐘調(diào)控與人類睡眠障礙的關(guān)系。

另外，Weldenegodguad等[57]發(fā)現(xiàn)西伯利亞人極地寒冷適應(yīng)性基因在馴鹿基因組上發(fā)生了基因家族擴(kuò)張和正選擇，特別是離子通道受體和離子交換調(diào)控基因，如和等，這可能是對溫度敏感適應(yīng)性的主要原因。在類似的研究中，Yang等[58]對不同棲息環(huán)境下的脊椎動(dòng)物重要的冷感受器蛋白TRPM8進(jìn)行了氨基酸成像與蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)計(jì)算建模的研究，發(fā)現(xiàn)TRPM8通道的功能結(jié)構(gòu)在南極洲的帝企鵝()與非洲大陸的非洲象()之間存在重大差異，帝企鵝的冷敏感性顯著低于非洲象。在鹿科動(dòng)物中，塔里木馬鹿生存于極端干燥、炎熱和強(qiáng)烈太陽輻射的沙漠環(huán)境。Ababaikeri等[59]通過對塔里木馬鹿比較基因組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)該物種的沙漠環(huán)境適應(yīng)性候選基因，主要參與了氧化應(yīng)激、水分再吸收、能量代謝、熱應(yīng)激、呼吸系統(tǒng)適應(yīng)、DNA損傷和修復(fù)等生物過程。同時(shí)，這些候選基因與其他沙漠動(dòng)物適應(yīng)性基因均有重疊，表明沙漠物種對沙漠環(huán)境適應(yīng)經(jīng)歷了趨同進(jìn)化。

麋鹿被認(rèn)為是急劇恢復(fù)和拯救高度瀕危動(dòng)物的經(jīng)典例子。我國現(xiàn)存麋鹿群體是來自于英國動(dòng)物園的18只個(gè)體繁育后代，這預(yù)示著嚴(yán)重的瓶頸效應(yīng)和近交衰退。Zhu等[34]利用比較基因組學(xué)對麋鹿種群的適應(yīng)性進(jìn)行了評(píng)估，盡管麋鹿群體存在極端的種群瓶頸，但其仍具有較高的遺傳多樣性，延長的近親繁殖歷史可能有助于清除有害的隱性等位基因，同時(shí)，與生殖，胚胎發(fā)育和免疫反應(yīng)相關(guān)的17個(gè)基因忍受著高選擇壓力。另外，麋鹿對高鹽食物的潛在適應(yīng)可能是由于基因受到強(qiáng)烈正選擇，參與控制體內(nèi)鈉重吸收。另外的29個(gè)正選擇基因涉及血壓調(diào)節(jié)、心血管發(fā)育、膽固醇調(diào)節(jié)、血糖控制和甲狀腺激素合成。這些正選擇的基因可能也反應(yīng)了麋鹿對高鹽食物的適應(yīng)與響應(yīng)。

鹿科動(dòng)物進(jìn)化不僅僅體現(xiàn)在極端環(huán)境適應(yīng)性方面，Ba等[60]發(fā)現(xiàn)鹿嗅覺系統(tǒng)適應(yīng)性進(jìn)化的分子證據(jù)。有51個(gè)快速進(jìn)化基因與感受器官細(xì)胞纖毛(cilia)組裝有關(guān)，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞纖毛波形功能的軸突纖毛絲動(dòng)力蛋白(dynein)家族重鏈基因在基因組上發(fā)生了擴(kuò)張，也發(fā)現(xiàn)了14個(gè)嗅覺受體基因中89個(gè)位點(diǎn)在鹿上發(fā)生了正選擇。由于鹿存在多處皮膚腺體，散發(fā)的化學(xué)小分子是彼此之間通訊的重要信息素，推測嗅覺系統(tǒng)在接受信息素的長期進(jìn)化過程中一定也受到了適應(yīng)性進(jìn)化的選擇壓力。

2.3 再生器官(鹿茸角)起源進(jìn)化關(guān)鍵基因

鹿茸角是哺乳動(dòng)物中唯一的胚胎組織在成體后發(fā)育的器官[61]，是鹿科動(dòng)物防御天敵和爭奪配偶的武器。更重要的是，鹿茸角能周期性再生而保持最佳戰(zhàn)斗狀態(tài)，被認(rèn)為是鹿科動(dòng)物長期進(jìn)化過程中一個(gè)器官創(chuàng)新。最近，Wang等[14]對反芻動(dòng)物角起源進(jìn)化的比較基因組研究發(fā)現(xiàn)，鹿茸角新器官的起源依賴招募骨組織、皮膚組織、腦組織和睪丸組織的基因。鹿科動(dòng)物正選擇基因、加速進(jìn)化元件以及生茸組織高表達(dá)基因都參與了神經(jīng)脊細(xì)胞遷移通路，揭示神經(jīng)脊干細(xì)胞在鹿角起源發(fā)育中扮演重要角色[62]。Price等[63]也報(bào)道了生茸組織特異性高表達(dá)神經(jīng)脊細(xì)胞的關(guān)鍵標(biāo)志物，如等。

鹿科動(dòng)物中僅有獐在自然條件下是不長茸角的，被認(rèn)為是在進(jìn)化過程中發(fā)生了茸角丟失[64]，因此，利用比較基因組學(xué)研究鹿角關(guān)鍵再生基因，獐是唯一的選擇。Wang等[14]發(fā)現(xiàn)綿羊角的關(guān)鍵調(diào)控基因在麝科和獐兩個(gè)無角反芻動(dòng)物支系中發(fā)生趨同的假基因化，認(rèn)為也是決定鹿科動(dòng)物茸角再生的關(guān)鍵基因。Lin等[56]發(fā)現(xiàn)馴鹿基因組上促進(jìn)細(xì)胞增殖的細(xì)胞周期因子基因上游增加了一個(gè)雄性激素受體結(jié)合區(qū)域，這可能使馴鹿在更低的雄激素水平下能促成雌性馴鹿長角。結(jié)果表明，鹿科動(dòng)物進(jìn)化過程中，細(xì)胞周期相關(guān)基因與鹿茸角的發(fā)生與再生關(guān)聯(lián)緊密。

總之，比較基因組學(xué)是從進(jìn)化的視角去解析復(fù)雜的生物學(xué)問題和探尋調(diào)控基因。隨著多個(gè)鹿基因組序列完成，基因組質(zhì)量也越來越高，將進(jìn)一步加快鹿科動(dòng)物比較基因組學(xué)研究進(jìn)程，探索適應(yīng)性進(jìn)化和新器官起源的奧秘。

3 功能基因組學(xué)

目前，鹿類動(dòng)物功能基因組學(xué)研究主要集中在鹿茸干細(xì)胞、鹿茸再生以及鹿茸生長中心的快速生長發(fā)育等研究，本文主要針對這幾方面進(jìn)行了總結(jié)。

3.1 鹿茸干細(xì)胞

鹿茸發(fā)生和再生過程是由干細(xì)胞驅(qū)動(dòng)的，被稱為鹿茸干細(xì)胞(antler stem cell, ASC)[2,65,66]。國內(nèi)外多個(gè)實(shí)驗(yàn)室已對ASC進(jìn)行了分離鑒定，其不僅表達(dá)多種成體干細(xì)胞標(biāo)記因子，如CD73、CD90、CD29、CD44、CD146、CD105、CD166、STRO-1、Vimentin和Nestin，還表達(dá)部分胚胎干細(xì)胞標(biāo)記因子，如C-Myc和OCT4[67~70]。最近，Wang等[69]通過膜蛋白組學(xué)發(fā)現(xiàn)RXFP2在ASC中高表達(dá)，而在對照的面部骨膜細(xì)胞中幾乎不表達(dá)，該蛋白與反芻動(dòng)物長角有關(guān)，可能作為ASC鑒定的一個(gè)新標(biāo)記。在microRNA水平上，Ba等[71]通過測序顯示ASC表達(dá)小鼠胚胎期特異表達(dá)的。Ba等[72]也對培養(yǎng)的ASC進(jìn)行單細(xì)胞RNA-seq測序，表明ASC在培養(yǎng)過程中仍然保持著高度的干性和同質(zhì)性。Wang等[70]構(gòu)建胚胎嵌合實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ妥C實(shí)了ASC不同于胚胎干細(xì)胞嵌合到整個(gè)宿主的組織中，也不同于間充質(zhì)干細(xì)胞完全消失，而是有限地嵌合到一些組織中，特別是嵌合到了生殖系統(tǒng)中。這些結(jié)果證實(shí)ASC不僅是成體干細(xì)胞，還具有胚胎干細(xì)胞部分屬性。

干細(xì)胞的自我更新、分化與成熟均與其所處的微環(huán)境有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)鹿皮可能為ASC提供了類似的微環(huán)境[73]。在鹿茸發(fā)生時(shí)，雄性激素刺激ASC緩慢增殖和分化，而當(dāng)分化的組織與頭部皮膚變得接觸并緊密相貼時(shí)，皮膚給ASC提供了特殊的微環(huán)境，這個(gè)微環(huán)境觸發(fā)了ASC快速增殖(分裂速度比接觸前至少快10倍)和定向分化，最終導(dǎo)致鹿茸的發(fā)生。類似地，當(dāng)骨化的鹿角脫落后，傷口開始愈合，ASC再次與皮膚緊密接觸并被致敏，ASC再由致敏狀態(tài)轉(zhuǎn)變成激活狀態(tài)，啟動(dòng)鹿茸再生。Dong等[74~76]通過蛋白質(zhì)組學(xué)研究表明鹿茸再生的起始階段是一系列蛋白調(diào)控的，可能與上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化過程有關(guān)，包括無疤痕愈合的第一階段，源于ASC分化細(xì)胞的移動(dòng)性也受到高度調(diào)節(jié)，休眠期的ASC和面部骨膜細(xì)胞可能使用相似機(jī)制來維持干細(xì)胞的休眠狀態(tài)。Sun等[77]通過建立ASC與毛乳頭細(xì)胞共培養(yǎng)體系，鑒定出128個(gè)小分子，60%以上與外泌體相關(guān)，信號(hào)通路富集分析表明這些分子參與PI3K/AKT信號(hào)，可能影響ASC成骨細(xì)胞分化和血管生成。Li等[78]利用雙向電泳方法對ASC與面部骨膜細(xì)胞進(jìn)行蛋白質(zhì)組學(xué)比較研究，也發(fā)現(xiàn)了PI3K/AKT信號(hào)在ASC細(xì)胞差異表達(dá)蛋白中富集。Liu等[79]利用小分子抑制劑影響PI3K/AKT信號(hào)的細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)PI3K/AKT信號(hào)在ASC生物學(xué)功能中扮演重要角色。

鈣網(wǎng)蛋白CALR是一種多功能蛋白，在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)管腔內(nèi)主要起鈣離子結(jié)合蛋白的作用，與多種信號(hào)系統(tǒng)有關(guān)，例如蛋白質(zhì)折疊和鈣的調(diào)節(jié)體內(nèi)平衡。最新證據(jù)表明，CALR可在細(xì)胞核中與雄激素受體結(jié)合，抑制雄激素受體下游轉(zhuǎn)錄活動(dòng)[80]。Dong等[76]通過蛋白質(zhì)組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)CALR在開始分化的ASC中高表達(dá)，并在蛋白互作網(wǎng)絡(luò)中扮演核心(hub)基因的角色。Akhtar等[81]通過對鹿施以外源雄性激素，也發(fā)現(xiàn)雄性激素在低水平時(shí)ASC開始分化，高表達(dá)CALR，進(jìn)一步證實(shí)了該因子可能是雄激素依賴性鹿茸角再生的主要調(diào)節(jié)因子。

3.2 鹿茸生長中心

2004年和2012年，研究人員分別利用蛋白質(zhì)組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究鹿茸生長中心的基因表達(dá)。Park等[82]鑒定到了130個(gè)蛋白，其中MAPK1COL1A1SMUBP2和ZFP28等僅在鹿茸生長中心高表達(dá)，推測這些蛋白對鹿茸的快速生長極其重要。Yao等[83,84]建立了鹿茸生長中心快速生長和骨化的轉(zhuǎn)錄組表達(dá)譜，涉及轉(zhuǎn)錄因子、信號(hào)分子和細(xì)胞外基質(zhì)等。鹿茸快速生長發(fā)育是基于鹿茸頂端生長中心的ASC增值和分化的。鹿茸發(fā)育60天進(jìn)入快速生長期，90天時(shí)開始快速骨化。為了研究不同時(shí)間點(diǎn)鹿茸生長發(fā)育相關(guān)基因表達(dá)動(dòng)態(tài)，很多學(xué)者都對不同發(fā)育時(shí)間的鹿茸生長中心進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組和蛋白組分析[83,85~87]。然而，由于鹿茸生長中心組織層結(jié)構(gòu)發(fā)育關(guān)系復(fù)雜，這些研究的樣品采集標(biāo)準(zhǔn)不盡相同，難以在不同的研究之間進(jìn)行有效地比較。

Li等[88]根據(jù)發(fā)育生物學(xué)理論對鹿茸生長中心進(jìn)行了組織層空間劃分，即從遠(yuǎn)端到近端劃分5個(gè)連續(xù)發(fā)育狀態(tài)的組織層，包括間充質(zhì)層、前軟骨層、過渡層、軟骨層和礦化層?；谏L中心組織層發(fā)育關(guān)系，Ba等[89]對這5個(gè)組織層進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組測序，發(fā)現(xiàn)不同組織層之間有明顯的表達(dá)譜特征，而且共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析鑒定了9個(gè)基因表達(dá)模塊，其中370個(gè)核心(hub)基因參與調(diào)控了軟骨、骨和血管生成，為鹿茸生長中心生長發(fā)育研究奠定了分子基礎(chǔ)。Ker等[90]建立了鹿茸頂端ASC和人間充質(zhì)細(xì)胞的比較模型，通過轉(zhuǎn)錄組測序及體外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證闡明對鹿茸細(xì)胞快速增殖起主要作用，而是鹿茸礦化的關(guān)鍵基因。Chen等[91]分析lncRNA在鹿茸生長中心間充質(zhì)組織和軟骨組織中的表達(dá)動(dòng)態(tài)。與軟骨組織相比，間充質(zhì)組織中有1212個(gè)lncRNA和518個(gè)mRNA的轉(zhuǎn)錄水平發(fā)生了顯著改變，表明lncRNA通過調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、遷移和成骨相關(guān)基因，促進(jìn)了鹿茸間充質(zhì)組織向軟骨組織的分化。

Hu等[38]對具有快速和慢速兩種表型的鹿茸生長中心進(jìn)行microRNA表達(dá)譜比較，發(fā)現(xiàn)與鹿茸快速生長的18個(gè)microRNA分子，構(gòu)建microRNA- mRNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，確定14個(gè)基因與鹿茸快速生長相關(guān)。Yao等[92]也對鹿茸主干和眉支兩個(gè)生長中心進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測序，比較發(fā)現(xiàn)主干生長中心的軟骨發(fā)育基因顯著上調(diào)，如和等，而骨化基因顯著下調(diào)，如和等。

4 結(jié)語與展望

“人類基因組計(jì)劃”的完成標(biāo)志著人類對于生命現(xiàn)象和過程有了本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。鹿科動(dòng)物在長期自然進(jìn)化過程中，產(chǎn)生了諸多優(yōu)異性狀，如鹿茸角的再生和快速生長[65,93~95]、低癌癥發(fā)生率[96,97]、無傷疤傷口愈合能力[98,99]、骨質(zhì)疏松快速逆轉(zhuǎn)[100~102]和大型哺乳動(dòng)物滯育模型(狍子)[103~107]等。這些都觸及了重大基礎(chǔ)生物學(xué)和醫(yī)學(xué)問題，其背后所蘊(yùn)藏的遺傳機(jī)理非常值得人們?nèi)フJ(rèn)知和掌握。隨著測序技術(shù)的發(fā)展，以單分子熒光和納米孔為代表的三代測序技術(shù)將進(jìn)一步提升鹿科動(dòng)物基因組質(zhì)量，完整的基因組學(xué)數(shù)據(jù)將為這些優(yōu)異獨(dú)特的生物學(xué)性狀相關(guān)基因發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

最近，家養(yǎng)梅花鹿和馬鹿也已被納入我國畜禽遺傳資源目錄。鹿遺傳變異數(shù)據(jù)大規(guī)模產(chǎn)出和利用能有效加快家養(yǎng)鹿類動(dòng)物的遺傳改良和品種保護(hù)，比如，利用基因組學(xué)數(shù)據(jù)全面評(píng)估我國茸鹿品種遺傳結(jié)構(gòu)多樣性，利用連鎖分析和關(guān)聯(lián)分析等基因組學(xué)方法，高效挖掘茸鹿品種中有利等位基因，提出其利用途徑和具體方案，并在品種資源創(chuàng)新過程中充分利用基因組學(xué)研究成果提高創(chuàng)新效率。

重要的是，針對鹿茸角這一進(jìn)化過程中獨(dú)特進(jìn)化的再生器官，尚有不少重要問題有待解決，如多種細(xì)胞類型參與和調(diào)控下的鹿茸再生和發(fā)育，其它再生模式生物中扮演“總開關(guān)”調(diào)控角色的免疫細(xì)胞是否也扮演了類似的角色。常規(guī)組學(xué)技術(shù)無法詳細(xì)系統(tǒng)地研究鹿茸角再生和發(fā)育過程中細(xì)胞類型、發(fā)育狀態(tài)和分化路徑。然而，近年來快速發(fā)展的單細(xì)胞測序技術(shù)給發(fā)育生物學(xué)帶來了革命性的變化，能夠?qū)蝹€(gè)細(xì)胞內(nèi)基因表達(dá)和調(diào)控進(jìn)行無差別的分析，通過更多維、更精準(zhǔn)的研究視角，去系統(tǒng)地、全面地揭示和解析細(xì)胞的功能。目前，本研究團(tuán)隊(duì)正在利用單細(xì)胞測序技術(shù)繪制鹿茸角再生和發(fā)育過程中單細(xì)胞圖譜，解析不同細(xì)胞類型之間互作和通訊以及細(xì)胞譜系演化路徑等，在單細(xì)胞水平上詮釋鹿茸干細(xì)胞如何再生和發(fā)育成完整器官的關(guān)鍵科學(xué)問題。未來，可以通過建立以鹿茸為再生醫(yī)學(xué)研究模型開展人類再生醫(yī)學(xué)研究。在實(shí)現(xiàn)這些研究目標(biāo)過程中，鹿基因組學(xué)研究將起到不可替代的作用，由此可見，鹿科動(dòng)物基因組學(xué)研究才剛剛開始。

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Progress on deer genome research

Hengxing Ba1,2, Pengfei Hu1,2, Chunyi Li1,2

Deer family is one of the most abundant mammalian families in the world. Deer species are distributed in wide geographic ranges including the North Pole, tropical regions and high-altitude mountains. Of these deer species, China accounts for more than 40% of them and is the main site for deer evolution. Besides the common phenotypical attributes for ruminants, deer family is evolved to possess the unique head gears with periodic regeneration, i.e. antlers. It is currently well accepted that deer is a very valuable model for the studies of ecology, behavior, evolution and biology, especially for the study of mammalian organ regeneration. Reference deer genome is the basis for systematically illustrating deer evolution, deciphering unique biological attributes of deer species, and is significant in protection and utilization of deer genetic resources. In this review, we summarize the recent progress in the field of deer genome research, including data of deer genetic variation, molecular basis of adaptive evolution, and key genes and functional genomics involved in deer antler origin and evolution. The overall aim of the paper is to provide the reference neccessary for in depth investigation of deer species.

cervids; deer genome; genetic variation; adaptive evolution; velvet antler; functional genomic

2020-10-28;

2020-12-29

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：31402035, U20A20403) 和吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：20200602013ZP)資助[Supported by the National Natural Science Foundation of China (Nos. 31402035, U20A20403), and the Science and Technology Development Project of Jilin Province (No. 20200602013ZP)]

巴恒星，博士，研究員，研究方向：特種動(dòng)物基因組學(xué)。E-mail: bahengxing@caas.cn

李春義，博士，研究員，研究方向：鹿茸生物學(xué)。E-mail: lichunyi1959@163.com

巴恒星，博士，研究員，研究方向：特種動(dòng)物基因組學(xué)。E-mail: bahengxing@caas.cn

10.16288/j.yczz.20-362

2021/3/11 17:23:28

URI: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1913.R.20210310.1027.003.html

(責(zé)任編委: 姜雨)