張 磊，王鳳紅，李曉凱，喬 賢，龔 高，嚴曉春，張令天，王志英,2,3，王瑞軍,2,3,，劉志紅，2，3，王志新，2，3，何利兵，張燕軍，2，3，李金泉，2，3*，蘇 蕊，2，3*

(1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 動物科學學院,呼和浩特 010018；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部肉羊遺傳育種重點實驗室，呼和浩特 010018；3. 內(nèi)蒙古自治區(qū)山羊遺傳育種工程技術研究中心,呼和浩特 010018；4. 內(nèi)蒙古金萊牧業(yè)科技有限責任公司,呼和浩特 010018)

“角”的由來可以追溯到商朝后期的甲骨文，取自牛、羊頭上角的形狀，其中的曲線代表角紋，后來泛指所有動物的角。目前現(xiàn)存的哺乳動物中只有反芻動物是唯一具有角的動物類群[1]。最早出現(xiàn)的有角動物大約在4 500萬年前。角為哺乳動物特有，是與頭骨連接的衍生物[2]，形態(tài)各異，如牛、羊的角、鹿科動物的角枝等，在對抗天敵、自衛(wèi)和爭奪交配權及信息交流中有重要作用[3]，且按組織學結(jié)構(gòu)主要分為洞角(牛、羊)、犀角(犀牛)、實角(鹿)、羚角(叉羚羊)和瘤角(長頸鹿)五種類型[4]。在古代，人們利用牛角作為牽牛耕地的基礎，角因此被視為生產(chǎn)力的一種；同時角還是力量的象征，常被用來作為神圣的器物進行供奉；角的材質(zhì)與指甲、蹄和羽毛等角質(zhì)結(jié)構(gòu)類似，均來源于上皮組織。隨著人們對角的認識逐漸加深，角的用途也進一步被挖掘。古人不僅使用獸角作為軍中演奏的樂器，還作為酒器或量器。此外，由于動物角成分不同，還能作為藥材和裝飾品(表1)。

表1 洞角的藥用功效Table 1 The medicinal efficacy of the hollow horn

中國是農(nóng)牧業(yè)發(fā)展大國，種質(zhì)資源十分豐富。隨著養(yǎng)殖水平的不斷提高，無角動物受到了人們的鐘愛。從飼養(yǎng)環(huán)境來講，在現(xiàn)代密集飼養(yǎng)條件下，有角動物易對飼養(yǎng)人員和同伴造成撞傷，從而影響家畜的胴體、毛皮質(zhì)量且容易發(fā)生感染，對養(yǎng)殖業(yè)造成直接的經(jīng)濟損失；從飼料轉(zhuǎn)化率來講，角的生長需要很多的營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化而成，消耗了飼料，增加了成本。因此，亟待加強對角性狀的研究，為培育無角動物提供參考依據(jù)，以期節(jié)省飼養(yǎng)成本，提高經(jīng)濟效益。

洞角是?？苿游锾赜械慕?，是進化最完善且種類繁多的一類角，科以下約有49屬59種，主要由真皮骨心和表皮角質(zhì)鞘兩部分組成。骨心的內(nèi)部中空，故名為洞角，里面有微小的乳頭和毛細血管。角質(zhì)鞘作為角的最外層，可以保護骨心[12]。洞角形態(tài)多樣，有的短小(麂羚)、有的粗壯(塬羊)、有的細直(劍羚)、有的短而彎曲(羚牛)，主要與其發(fā)生發(fā)育相關[13]。洞角生長時，首先在額骨上方出現(xiàn)類似于球形的骨質(zhì)體(角骨)，作為洞角軸，由真皮衍生而來，最終與頭蓋骨結(jié)合，完成角的發(fā)生。角的發(fā)育始于表皮的角質(zhì)層(中胚層)組織分化和重塑的結(jié)果[14]，即結(jié)締組織膜之下形成的膜內(nèi)成骨，其生長主要在邊緣-擴大骨骼面積和外表面-增大骨骼厚度。而角心的生長則依靠尖端部位的骨骼生長及外表面的加粗，這樣層層累積，形成角輪，也導致其形狀多樣或彎曲或旋轉(zhuǎn)或直立。角的超微結(jié)構(gòu)表明，角神經(jīng)作為角的一部分附著在角上，與眼神經(jīng)關聯(lián)[15]。本文以牛角和羊角為例，綜述了角的起源、馴化以及與結(jié)構(gòu)、發(fā)育候選基因相關的研究進展等內(nèi)容，為探索無角性狀的形成機理提供理論基礎。

1 牛 角

1.1 起源及馴化

有角牛馴化距今約10 500年，出現(xiàn)在中東地區(qū)[16]，由于其產(chǎn)量和肉質(zhì)優(yōu)勢，被廣泛飼養(yǎng)，成為生活中主要的肉食來源。無角家養(yǎng)牛最早出現(xiàn)在公元前6 000年的德國[17]，考古學家認為無角牛最早出現(xiàn)新石器時代后期[18]，然而古埃及出現(xiàn)的壁畫表明，在人類早期就出現(xiàn)了無角牛[19]。經(jīng)過培育出現(xiàn)了短角牛等優(yōu)良品種，隨后人們便開始了對牛角的大小和有無進行了探索，并取得了顯著的成果[20]。

1.2 形態(tài)結(jié)構(gòu)及發(fā)育

從外形上看，牛角大部分為半圓形，長度、粗細大小不等，可能由品種、性別決定。牛角結(jié)構(gòu)由是角基、角體和角尖三部分組成。角基是角相對柔軟的一部分，從皮膚長出體表，包圍角的外周，決定角的粗細；角體是角基延伸到向角尖的部分，決定角的長短；角尖一般為充滿角質(zhì)的實體，在爭斗中起到重要作用。角的表面有角輪，呈現(xiàn)環(huán)狀的隆起。角基中的角輪最大且最明顯，然后是角體，角尖中最小甚至沒有角輪。從內(nèi)部結(jié)構(gòu)觀察，由角質(zhì)小管和管間角質(zhì)構(gòu)成牛角的角質(zhì)外殼，并且角質(zhì)小管排列非常緊密，管間角質(zhì)較少。牛角形成大致歷經(jīng)268 d，分別從出現(xiàn)角原基(70 d)、神經(jīng)束(115 d)、皮脂腺(155 d)、前額皮膚區(qū)(172 d)、角芽(212 d)、前額皮膚完全分化(268 d)。而無角表型個體角發(fā)育與有角個體一致，在胎兒期不能區(qū)分[22]。從遺傳上看，角的有無為質(zhì)量性狀，Dove等[23]以荷斯坦牛為研究對象，對角的有無進行研究，通過骨膜移植術的方法，對無角的荷斯坦犢牛進行骨膜移植，隨著犢牛的生長最終長出了角，結(jié)果表明角由來自真皮和皮下結(jié)締組織的骨核發(fā)育而來，經(jīng)骨核融合，最終形成角。

圖1 不同品種牛角圖片[21]Fig.1 Cattle horns of different breeds[21]

1.3 候選基因研究現(xiàn)狀

隨著人們對角性狀認識的逐漸加深及無角動物的出現(xiàn)，人們不僅限于關注角的表型，開始探索其分子機制。無角基因(P)對有角基因(p)為顯性，但顯性不完全，在牛1號染色體著絲粒區(qū)域，大小為1Mb[24-26]，其著絲粒邊界在 RP42218J17_MS1，端粒邊界BM6438[27-28]。Georges等[29]證明了無角性狀位點和兩個微衛(wèi)星標記gmpoll-1和gmpoll-2之間遺傳連鎖，將相應的連鎖群定位到牛的1號染色體上；無角分子標記的成功挖掘，為后期通過標記輔助選擇培育無角動物的育種規(guī)劃奠定基礎。隨著?；蚪M組裝精度日益完善，Wiedemar等[30]通過芯片測序?qū)o角牛進行基因分型發(fā)現(xiàn)1號染色體上存在兩種與無角表型相關的單倍型。

Rothammer等[20]解析了荷斯坦牛無角表型的主要機制是由于1號染色體上插入一段80 kb的序列導致。Mariasegaram等[31]通過不同群體(海福特牛群和婆羅門牛群)對國際上公布的33個無角位點進行驗證，在此基礎上新驗證了16個位點，并定位在IFNAR2 和 SYNJI 的區(qū)域，同時發(fā)現(xiàn)了CSAFG29與無角位點基因呈現(xiàn)強相關，與無角基因連鎖不平衡，因此斷定CSAFG29是無角性狀潛在的特征標記。Cargill等[32]對荷斯坦奶牛角的有無進行多態(tài)性分析，表明SYNJ1_C3981T與牛的有角和無角相關，可作為角性狀有無的候選基因。楚康康等[33]利用聚合酶鏈反應-單鏈構(gòu)象多態(tài)性(PCR-SSCP)技術對有角荷斯坦牛、無角安格斯牛以及無角海福特牛SYNJ1基因的3′UTR進行分析，發(fā)現(xiàn)SYNJ1基因C3981T位點的SNP與牛角的有無并不存在關聯(lián)；W?hlke等[34]在不同品種牛群體同樣證明了C3981T位點的SNP與牛的有角和無角不相關。Aureélien等[35]發(fā)現(xiàn)在牛2號染色體上一段3.7 Mb的基因片段中ZEB2位點是參與牛角的發(fā)育過程，是一個不同于1號染色體上的新位點，同時揭示了上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化在角芽分化中起著關鍵作用。Allais-Bonnet等[36]再次提供了OLIG2、FOXL2和RXFP2參與角芽分化的證據(jù)，并得出了牛、羊和山羊無角位點之間的關聯(lián)，為理解?？苿游锝茄糠只倪z傳途徑奠定基礎。牦牛角的遺傳符合孟德爾遺傳[37]。Liang等[38]以牦牛角有無性狀為目標性狀，通過GWAS方法，找到無角性狀的位點，并注釋出3個蛋白編碼基因，表明除蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變異以外的表達變異是無角表型的主要原因，為建立牦牛無角區(qū)域基因組結(jié)構(gòu)邁出重要的一步，同時為理解?？苿游餆o角性狀的遺傳基礎提供新的見解。趙娟花等[39]對控制牦牛角有無的候選基因通過實時熒光定量PCR方法在角基中進行驗證，表明C1H21orf62和RXFP2基因在有角牛(表達量低)和無角牛(表達量高)中表達量差異顯著，OLIG2基因僅在無角牛個體中表達，進一步說明OLIG2基因為無角牦牛的關鍵基因。李明娜等[40]利用qPCR技術對有角牦牛和無角牦牛的候選基因SYNJ1、GCFC1和C1H21orf62進行表達量分析研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這3個基因表達均無顯著差異，排除其作為角有無候選基因的可能。Liu等[41]在牦牛角性狀有無上同樣做了相關研究，利用高分辨率溶解曲線分析技術對有角/無角牦牛的群體的多態(tài)性位點分布情況進行檢測，結(jié)果表明牦牛無角表型染色體候選區(qū)長度為147 kb，包含C1H21orf62、GCFC1 和SYNJ1，不同于其他牛品種的無角位點的位置，推測牦牛無角突變與其他品種不同。

牛除了有角表型和無角表型外，還有一種介于有角表型和無角表型之間的突變類型，俗稱畸角(Scurs)，于1936年首先發(fā)現(xiàn)[42]?；堑陌l(fā)育部位和構(gòu)成成分與正常角基本一致，不同之處在于角的形態(tài)和角的穩(wěn)固性能不同，畸角穩(wěn)定性差，主要原因是沒有與頭骨融合，直接在皮膚上生長。Capitan等[43]對夏洛萊牛的研究發(fā)現(xiàn)，畸形角表型的遺傳方式與其它品種的遺傳方式不同，畸形角性狀基因受常染色體隱性遺傳；發(fā)現(xiàn)了2型畸角性狀，對57頭夏洛萊牛的基因分型數(shù)據(jù)進行了全基因組連鎖分析，發(fā)現(xiàn)在牛4號染色體上的1.7 Mb區(qū)間的TWIST1基因被認為是一個強有力的候選基因，通過對TWIST1基因的測序，鑒定出c.148_157dup (p.A56RfsX87)的突變，導致TWIST1基因完全失活，從而引起2型畸角，該研究首次報告了影響牛角發(fā)育的潛在因果突變，為了解牛角發(fā)育提供了新的見解[44]。Asai等[45]將畸形角位點定位于牛19號染色體上 BMS2142附近 (LOD=4.21)，并在隨后的分析中將畸形角基因座精確定位在 BMS2142遠端4 cM 處 (LOD=4.46)和IDVGA46近端6 cM處 (LOD=2.56)。與畸角位點最近的基因分別是近端和遠端基因ALOX12 和MFAP4；且在加拿大肉牛的6個家系中對X染色體上的3個微衛(wèi)星標記進行了基因分型，但未與畸形角性狀連鎖，進一步證明了該性狀不存在性連鎖；無角位點定位于 1 號染色體，而畸形角位點定位于19號染色體，所以這兩個性狀在?？浦胁⒉贿B鎖[45]。

2 羊 角

2.1 起源及馴化

山羊被認為是最早馴化的家畜物種之一，距今約1萬年[46]，角粗大且長。不同羊品種和性別導致羊角型也不盡相同(圖2)。馴化不僅是對其野性的馴服，也包括對性狀的遺傳改變。野生的羊角粗大堅硬，對飼養(yǎng)人員有著極大危害，但經(jīng)過馴化后，人們對羊角性狀也進行了選育提高，偏向于選擇角細小甚至無角方向進行發(fā)展。羊角的形狀是其身份的象征，但是羊角并非經(jīng)濟性狀，所以在羊群中具有角型具有多態(tài)性[48]，并可以通過兩性之間的拮抗選擇來維持角型多態(tài)性[49]。

圖2 不同羊角型圖片[47]Fig.2 Horns of different sheep[47]

2.2 形態(tài)結(jié)構(gòu)及發(fā)育

羊角大小不同，形態(tài)各異。在生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)有角、無角、多角、畸形角四種角的表型。同牛角結(jié)構(gòu)類似，均由骨心及角質(zhì)鞘構(gòu)成[50]。陳瀟飛等[51]以蒙古羊和阿勒泰羊作為試驗對象，針對表型為兩角、多角和畸形角這3種角進行形態(tài)學、X線影像拍照及組織切片分析，其中形態(tài)學解剖結(jié)果表明：正常角結(jié)構(gòu)、質(zhì)地、大小和骨心的發(fā)育均比畸形角好，畸形角無光澤且干癟。X線影像拍攝結(jié)果表明：正常角、兩角或多角的形狀、角輪、骨心及角質(zhì)外鞘都未發(fā)現(xiàn)突變影；而畸形角的有突變影存在，且色澤異常，有裂痕。組織切片結(jié)果表明：在橫切條件下，3種表型未見明顯區(qū)別，但在縱切條件下，可以明顯發(fā)現(xiàn)畸形角的髓質(zhì)不均勻，而且形狀也不規(guī)則，髓腔間距變?。欢＝堑乃枨痪鶆?，間距較廣，正常兩角和正常多角未見明顯區(qū)別?；谓侵饕憩F(xiàn)在斷裂和扭曲。Hoefs等[50]在 6歲以上的Dall綿羊的公羊和母羊群體中觀測到某些個體會出現(xiàn)角型畸變的現(xiàn)象，在角生長過程中，畸形角的骨心會出現(xiàn)停止生長，角質(zhì)鞘內(nèi)部出現(xiàn)中空結(jié)構(gòu)。對野生soay羊進行研究，發(fā)現(xiàn)其角的形態(tài)在兩種性別中具有遺傳多態(tài)性，由單個常染色體基因座(角)控制。大多數(shù)雄性有較大的正常角，但少數(shù)有退化、變形的角，稱為畸角；生活中均存在無角山羊和無角綿羊。性反轉(zhuǎn)的山羊中多數(shù)表現(xiàn)為無角。大約19世紀，人們在選育無角山羊的工作中，發(fā)現(xiàn)品系中存在雌雄比例失衡的現(xiàn)象，同時間性(有兩性特征)個體比例逐步上升，這種現(xiàn)象被稱為無角間性綜合癥 (Polled Intersex Syndrome，PIS)[52]。山羊出現(xiàn)間性的主要原因是包括XY個體性反轉(zhuǎn)和XX/XY嵌合體的發(fā)生。1944年，Asdell等[53]推測無角性狀是由性狀常染色體顯性基因控制，間性性狀則是由常染色體隱性基因控制，并且提出控制間性性狀與角性狀的基因是緊密連鎖的觀點。

2.3 候選基因研究現(xiàn)狀

在山羊中，Vaiman等[54]在 1號染色體遠端繪制了遺傳連鎖圖譜，發(fā)現(xiàn)山羊無角與牛的無角調(diào)控區(qū)域完全不同。利用1號染色體區(qū)域周圍的遺傳和細胞遺傳學圖譜得出家養(yǎng)山羊無角和間性的相關聯(lián)結(jié)論，以此為目的，篩選出山羊BAC文庫，利用熒光原位雜交技術將BAC文庫中的30個遺傳標記定位在lq41-lq45范圍內(nèi)，最后得出山羊染色體帶lq43的3q23基因是山羊無角間性綜合癥最可能的位置[55]。Schibler等[56]通過克隆測序和微衛(wèi)星標記等手段證實了Vaiman的結(jié)論，并將山羊無角間性綜合癥(PIS)區(qū)域縮小至100 kb。Pailhoux等[57]研究發(fā)現(xiàn)，由于山羊1號染色體上有11.7kb片段的缺失，導致發(fā)生山羊無角綜合癥，若純合缺失則必為間性山羊，同時還篩選出PISRT1 (PIS regulated transcript number1) 和FOXL2 (Forkhead box L2) 基因是無角間性綜合癥的調(diào)控基因。張宇[58]發(fā)現(xiàn)PISRT1基因和FOXL2基因的多態(tài)性及突變位點山羊無角間性綜合癥存在緊密聯(lián)系，進一步研究發(fā)現(xiàn)FOXL2基因不僅和無角間性性狀相關，同時對角芽和眼瞼的發(fā)育也起調(diào)節(jié)作用[59]。Kinas等[60]通過對波爾山羊，開士米山羊和草地山羊的有角和無角個體的52 088個SNP基因型進行全基因組關聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)在山羊1號染色體的769 kb的區(qū)域包含了山羊無角綜合癥的位點，通過單倍型分析發(fā)現(xiàn)并非所有的間性山羊都是純合缺失。

在綿羊中，Johnston等[61]通過野生Soay羊全基因組關聯(lián)分析，確定了角的主要候選基因為RXFP2，該基因是常染色體基因，同時首次鑒定出具有相同羊角表型但不同潛在基因型的羊，同時還發(fā)現(xiàn)位于綿羊10號染色體29 448 537 bp的1個位點與角的表型顯著相關，基于該研究，Dominik表明29 389 966 bp的一個位點與無角性狀顯著相關[62]，其他的研究也進一步驗證該研究結(jié)果的準確[63-66]，同時還表明角的基因型不僅可能導致角類型的離散變異，而且也是角大小的數(shù)量遺傳變異[67]。Wiedemar等[68]通過對綿羊10號染色體上的RXFP2基因進行測序，解析綿羊出現(xiàn)無角表型的機制，研究表明RXFP2基因的3'末端存在一段由插入引起的序列突變，片段長度1 833 bp，影響了RXFP2基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控，導致出現(xiàn)無角表型。早期的研究表明角性狀是是由兩個基因座位控制，當其中一個為隱形純合時，就會出現(xiàn)多角。然而，Drmundsson的結(jié)論則與前人研究相悖，表明四角性狀相對于兩角性狀表現(xiàn)為顯性。Kijas等[69]對Jacob和Navajo-Churro綿羊進行GWAS分析，將控制綿羊生長4個角的基因組定位到綿羊2號染色體131.9～132.6 Mb的區(qū)域內(nèi)，其中最顯著的SNP為132568092，位于MTX2和HOXD基因上游93 kb和251 kb處，不同于10號染色體上導致無角的RXFP2基因，證實了綿羊中無角和四角表型存在獨立的基因座，且區(qū)域附近的HOXD基因群很可能參與了角的發(fā)生。同時還發(fā)現(xiàn)導致綿羊眼瞼畸形的原因很可能是角的不正常發(fā)育引起的，說明這兩個性狀在發(fā)育的過程中可能相互影響[69]。Lühken等[70]對RXFP2基因的3'非翻譯區(qū)的1.78 kb片段多態(tài)性插入和SNPs 3'末端的研究中發(fā)現(xiàn)該基因的14外顯子和11內(nèi)含子不能認為是綿羊多角個體的唯一原因，同時也不能作為綿羊多角個體遺傳狀態(tài)的通用標記。Greyvenstein等[71]通過對43個Damara綿羊進行了全基因組關聯(lián)分析，研究與角數(shù)量有關的606006個SNP，發(fā)現(xiàn)在綿羊2號染色體上有多個顯著SNPs的區(qū)域，其位置不同于綿羊10號染色體上的變異，雖然突變位點沒有被確定，但HOXD基因位于2號染色體的顯著區(qū)域內(nèi)，是導致多角表型的候選基因。Ren等[72]對24只雙角和22只四角的中國地方品種泗水裘皮羊進行全基因組關聯(lián)分析，通過連鎖不平衡分析和基于單倍型的關聯(lián)檢驗，將多角的QTL定位在2號染色體的132.0～133.1 Mb的區(qū)間范圍內(nèi)，與HOXD、EVX2和KIAA1715基因相鄰，為研究不同數(shù)量的角的遺傳基礎提供了新的見解，并為綿羊遺傳育種提供了新的資源。He等[73]對阿勒泰羊、蒙古羊和泗水裘皮羊進行全基因組關聯(lián)分析，其中包括34只雙角羊和32只四角羊，發(fā)現(xiàn)與四角表型相關的前兩個顯著的單核苷酸多態(tài)性 (SNPs) 均位于綿羊 2 號染色體132.6 Mb～132.7 Mb區(qū)間，均在MTX2基因和HOXD基因簇的下游。陳瀟飛等通過檢測位點多態(tài)性發(fā)現(xiàn)綿羊多角與MTX2基因有關。對正常兩角、畸形角和正常多角的兩兩組合利用i TRAQ蛋白表達譜進行差異蛋白的篩選，結(jié)果表明不同組合之間存在差異蛋白，主要富集在細胞外基質(zhì)，細胞外基質(zhì)分解代謝和粘附等組織發(fā)育等過程中；同時發(fā)現(xiàn)角畸形發(fā)育的候選信號通路，可能是ECM受體互作、焦點粘連和PI3K-Akt通路；初步把 S100A9、S100A12、COL6A1、TNC、LAMB2、CHAD、PARVA、KRTAP6-1和ACAN確定為可能是角畸形發(fā)育的關鍵蛋白[51]。

3 展 望

隨著生物技術的發(fā)展和測序水平的提高，人們越來越關注無角動物的培育。不僅可以減少由于爭斗導致斷角引起應激(損毀胴體、毛皮，影響肉質(zhì)風味)，而且便于飼養(yǎng)管理，同時減少飼料投入成本，提高經(jīng)濟效益。此外，在角性狀的研究中發(fā)現(xiàn)仍然存在一些問題：首先無角動物的系譜結(jié)構(gòu)不清晰，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不完整，無法對其進行數(shù)量遺傳分析，角性狀對其他經(jīng)濟性狀的影響也鮮有報道，所以無法估計其遺傳效應。其次角的有無雖然是質(zhì)量性狀，但角的遺傳規(guī)律可能是受多基因影響的，其遺傳機制尚不清楚。所以在實際中應根據(jù)育種需求,通過雜交和橫交固定等手段分別培育無角品系和有角品系，甚至針對藥用價值高、經(jīng)濟效益明顯的可以培育多角品系，并詳細記錄配種和生產(chǎn)性能記錄，為揭示角遺傳規(guī)律奠定基礎。此外，針對無角牛和綿羊等動物雖然定位導致其無角性狀的基因，但其無角機制尚未報道，因此有必要加大成本投入，在系譜清晰、生產(chǎn)性能完整的基礎上開展組學水平的工作，通過全基因組關聯(lián)分析、轉(zhuǎn)錄組等手段，識別影響無角性狀的標記和基因座，為無角性狀的精細定位奠定基礎同時為制定和優(yōu)化培育無角動物的育種方案提供參考依據(jù)。