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

（河北農業大學動物科技學院，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*

（河北農業大學動物科技學院，河北保定071000）

隨著基因學的發展，研究方向已經從結構基因組學逐步轉向功能基因組學，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域的研究已經取得了一定的成果。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、核酸和多糖等為目標，稱為結構基因組學。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境關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的出現，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的研究延伸到系統水平的全部基因或蛋白質，深入發掘基因的生物學功能。功能基因組學在動物學領域已經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、牛和豬等功能基因學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[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、DNA繪圖及相關計算機軟件等，實現基因定位，并分析基因組的結構和功能。基因組學可分為結構基因組學（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。

結構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結構，是基因組學研究的一個重要領域。

功能基因組學又被稱為后基因組學，利用結構基因組提供的信息，分析和研究整個基因組內所含基因和非基因序列的功能，已經發展成系統地研究多個基因或蛋白質的功能，分析基因的生物學功能、細胞學功能和發育學功能等。研究目標主要包括發現基因功能、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構進行序列和結構比對，以了解基因的功能、表達調控機制和物種進化等[4]。

1.2 功能基因組學的研究內容

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掘和了解基因功能。研究內容包括以下方面。

1.2.1 基因功能

功能基因組學研究的主要內容之一是基因生物學功能（如某些蛋白質作為酶類能催化機體的物質代謝反應）、發育學功能（如參與機體形態發生過程）和細胞學功能（如參與細胞內和細胞間的細胞轉導）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軟件（Blast）對Gen-Bank、NCBI和Ensemb l等數據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、在亞細胞內的定位和轉錄后調控、基因的丟失或過表達分析以及受環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控

基因在不同組織、不同狀態和不同發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，出現了基因組學。隨后，豬、牛、羊和雞等家畜、家禽的基因組陸續出現，并實施了動物基因組計劃以提高動物生產效率，促進畜牧業的發展。

1.2.3 研究蛋白質組和蛋白質組學

在生命科學領域，基因表達的生物學功能是其蛋白質在細胞水平的體現，因此研究蛋白質也是功能基因組學研究的內容之一。1995年，Wasinger等[7]認為蛋白質組是基因編碼的全部蛋白質。蛋白質組學是研究細胞內所有蛋白質及其變化規律的科學，研究內容包括蛋白質的鑒定、修飾后翻譯、蛋白質功能確定和表達模式等，進而揭示生命活動的規律。目前生命科學已經進入后基因組時代，研究單個蛋白質已無法滿足時代的需求。因此，蛋白質組學是后基因組研究的核心內容之一。雖然我國在重大疾病（如腫瘤和癌癥）等方面發現了一些與之相關的蛋白，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數據庫，用于研究雞已知基因的功能、表達和發現新基因等。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進行雞免疫系統方面的研究，全面分析機體抵御細菌感染的機理。此外，有關雞神經分泌系統和代謝系統的基因組研究也取得了一些進展，發現了一些與之相關的基因及其表達水平和差異，但是缺乏系統的研究，沒有形成詳細的網絡，仍需進一步完善。20世紀90年代，開始研究雞的蛋白質組學，研究整體蛋白質的表達調控、蛋白質動態相互作用和蛋白質活性等。作為雞蛋白質組學研究的創始人，Beynon最先研究了其肌肉蛋白動力學，為研究蛋白質表達量的動態變化提供了可能。雞功能基因組學的研究，為深入了解生產、繁殖和生長代謝問題提供了基礎，進而提高了雞的生產性能。

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，還有利于培育肉質好或產奶量高的品種。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，為加速優良品種的遺傳選育和遺傳多樣性的發掘提供了基礎。基因組選擇和全基因組關聯分析的研究發現與肉質、產奶量、繁殖力和抗病性等有關的基因，同時也是研究牛進化的研究手段。Daetwyler等結合234頭牛的全基因組序列測定和關聯分析方法，定位了與牛健康和生產性狀有關的基因和變異位點（如SMC2基因突變導致胚胎死亡）。Qanbari等發現KIT、MC1R、NRG4、TMEM132D和TAS2R16等與毛色、性情有關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性狀有關的功能基因組學的研究成果，促進了牛肉質性狀的遺傳改良，提高了經濟效益。例如，鈣蛋白酶基因是影響肉質嫩度的主效基因，CAPN1、CAPN3和CAST基因也與嫩度有關。

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發現NR6A1、PLAG1以及LCORL 3個基因與歐洲家豬變長和椎骨數增加有關。基因芯片和全基因組重測序技術充分利用基因信息，結合序列比對和功能基因組分析方法等，找到影響豬肉質、生長、繁殖和抵抗力等性狀的相關基因和變異位點，并分析其功能。如錢源等分析萊蕪豬PID1基因的結構和功能，發現其與胰島素信號途徑有關，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、羊絨纖維結構基因、免疫力、產奶量和胚胎發育速度等方面的研究，取得了一些研究成果，發現了與之相關的基因和基因功能，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掘鴨和鵝的基因及基因功能。

3 小結

自畜禽的基因組序列陸續被公布后，就從結構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律提供了基礎。根據發現的基因、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和分析方法的發展，會獲得品質更加優良的畜禽品種，不斷滿足人類的需要。

[1]景嵐,康振生,韓青梅.基因組學在植物病理學中的應用[J].西北農業學報,2004,13(4):63-68.

[2]解濤,梁衛平,丁達夫.后基因組時代的基因組功能注視[J].生物化學與生物物理進展,2000,27(2):166-170.

[3]Hieter P,BoguskiM.Functionalgenom ics:it's allhow you read it[J].Science,1997,278(5338):601-602.

[4]李偉,印莉萍.基因組學相關概念及其研究進展[J].生物學通報,2000,35(11):1-3.

[5]李子銀,陳受宜.植物的功能基因組學研究進展[J].遺傳, 2000,22(1):57-60.

[6]莊金秋,楊麗梅,賈杏林.功能基因組學研究概述[J].中國生物工程雜志,2005(S1):204-209.

[7]Wasinger VC,CordwellSJ,Cerpa-Poljak A,etal.Prog ress with gene-p roduct m app ing of the Mollicutes:Mycop lasm a genitalium[J].Electrophoresis,1995,16(7):1090-1094.

[8]Cogburn LA,Wang X,Carre W,et al.System s-wide chicken DNA m icroarrays,gene exp ression p ro filing,and d iscovery of functional genes[J].Pou ltry Science,2003,82(6): 939-951.

[9]Morgan RW,So fer L,Anderson AS,et al.Induction of host gene exp ression follow ing in fection of chicken em b ryo fib rob lasts w ith oncogenic Marek's d isease virus[J].Journa l of Virology,2000,75(1):533-539.

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