“我頭上有犄角！”來自反芻動物的“小秘密”

程唯珈

在西北農林科技大學的秦川牛新品系育種基地里，一頭牛悠閑地坐在地上，嘴巴像嚼著口香糖般上下活動。尖尖的牛角，在陽光的照耀下凸顯著它“神圣不可侵犯”的地位。

像這類反芻動物，西北農林科技大學動物科技學院教授姜雨和與其合作的西北工業大學生態與環境保護研究中心教授邱強、王文（兼中國科學院昆明動物研究所研究員）等人，和它們打交道已有多年。

“牛、羊、鹿等這些草食性動物大多沒有尖牙利爪，角既是它們面對捕獵者的自衛工具，也是同類間爭奪配偶和領地的主要工具。”姜雨告訴《中國科學報》的記者，研究這些角如何發展而來，形狀為何五花八門，等等，是他們的日常樂趣之一。

在這些犄角中，華麗碩大的鹿角格外引人注目。鹿角自帶“黑玉斷續膏”技能，即使折斷也能繼續冒出新的來。這究竟是怎么一回事呢？

同樣是角，為何差別這么大？

回到開頭，這頭牛其實并不在吃草，被飼養員捧在手心里的它早已吃飽喝足，但為何還要“裝模作樣”地咀嚼食物？原來這都是“反芻機制”搗的鬼。

“這類動物采食非常迅速，稍加啃咬就吞下去了，藏到肚子里比較安全的地方。但是它們吃的時候并沒有把所有食物嚼碎，所以很多食物都沒有被消化。而它們的胃很特別，分為四個腔室，依次被稱為瘤胃、網胃、瓣胃和皺胃。其中主要進行儲存和消化植物纖維是瘤胃，它可以像嘔吐反射一樣，將沒有嚼碎的食物重新返回嘴里進行咀嚼。”姜雨說。

在這些反芻動物中，除了獨特的瘤胃外，其形狀各異的骨質角更是被認為是動物進化史上器官形狀創新的奇跡。王文告訴《中國科學報》的記者，反芻動物是現存唯一具有骨質角的動物類群，且不同科的反芻動物具有不同形態的角。

王文介紹：“長頸鹿科的角由僅被皮膚和毛發覆蓋的骨突組成;牛科的角也有一個骨質的核心，但被一個角質鞘所覆蓋，終生生長，不分叉也不能再生;而鹿科動物的角則周期性脫落，每年再生一次，在生長階段被稱為鹿茸。它的生發組織在鹿茸上方，所以會分叉生長。生長停止后，鹿茸會鈣化為鹿角，也沒有角鞘。部分有角下目的動物還會不長角，比如麝和獐子。”

尤其是鹿科，其犄角具有極快的生長速度。每年春季到夏季，新生長出的鹿角大約長1米～2米，而這就意味著鹿角平均一天就能增長1.7厘米～2厘米，細胞分裂增殖速度甚至超過了癌組織的生長速度。

更為有趣的是，就是這犄角生長堪稱“癌癥速度”的鹿科動物，自身反而具有較低的癌癥發生率，其患病概率僅占其他物種的1/5。

同樣都是角，為何差別這么大？撇開這各異的顏值不說，憑什么鹿角還擁有這特殊的“神仙技能”？甚至連物種的身子骨似乎都比同類的身子骨更“結實”？科學家陷入了沉思。

神奇的鹿角，開啟抑癌新技能

研究人員采用進化和比較基因組學手段，大數據比對尋找有角反芻動物與其他哺乳動物的基因組差異和角組織里表達的基因。

“首先我們要知道，這些角并不是本身連接頭部的骨頭，而是由組織產生的新器官。在發育過程中，它原本是一個獨立的、小的細胞團，從神經嵴細胞遷移過來。”姜雨說，“團隊收到這些物種新鮮的組織后，開始進行轉錄組的分析，并針對早期胚胎進行染色等生理生化實驗。”

實驗發現，這些細胞逐步獨立發育成犄角的核心骨骼，最終與頭骨融為一體。姜雨向記者打了一個形象的比喻：“就像嬰兒出生時擁有多達305塊的骨頭，但是隨后部分骨頭可能融合，比如顱骨會由十幾塊融合為六塊。這說明細胞在分裂增殖過程，可以導致組織的融合。”

那么，問題來了，為什么這些組織會發育成形狀各異的角呢？甚至出現無角情況？望著這一盤盤“新鮮出爐”的犄角組織，實驗人員對其基因組表達進行了分析。

通過比較不同類型的反芻動物基因組和270個轉錄組，團隊發現羊角和鹿茸具有相似的基因表達模式，其特異高表達的基因主要募集來自成骨、皮膚、腦等組織表達的基因。這些角組織特異高表達基因，連同一些快速進化基因都參與了神經嵴細胞遷移通路，而這意味著，反芻動物的角可能具有相同的細胞“祖先”，即頭部神經嵴干細胞。

“為什么有些動物沒有角？很簡單，因為它們的基因‘壞了。”姜雨俏皮地說。

當然，最令科學家感興趣的還是那神奇的鹿角，這種如同“打不死的小強”的機制，這種無限再生的機制引發了癌癥研究者的興趣。

團隊研究發現，多個原癌基因通路在鹿角組織被激活并發生遺傳改變，可能在調控鹿茸快速再生過程中發揮重要作用。同時幾個重要的抑癌基因也發生了鹿科特異的遺傳改變。

為什么鹿角能夠迅速增長且動物本身不易得癌？原來只緣身在“癌山”中。如今，邱強及其合作團隊將針對證明快速受控的細胞生長的潛在機制以及探索鹿角作為器官再生模型和癌癥模型方面進行深入研究，“這些將為癌癥治療和預防提供新的思路和方法。”邱強說。

從明天起，做一頭溫柔的牛

不過對于長期研究動物育種的姜雨來說，此項研究最大的收獲還是有望培育出類似“無籽西瓜”等的新型變異反芻物種，譬如無角牛、無角羊等。

別看這些犄角平時威風得很，在畜牧生產中它們可不受歡迎。

“有些牛的角非常碩大鋒利，用于對付天敵或與同類爭斗。甭說在同類間可能造成互相傷害，要是心情不好往你身上一頂，后果更是不堪設想。”姜雨攤了攤手，“所以使用無角的牛和羊進行畜牧生產，對于飼養員、擠奶工以及動物自身的安全是非常重要的，此外無角的反芻動物還可以把用于長角的養分更多地用在產肉和產奶上。”

不過想要選育出這類無角品種還面臨著極大的挑戰。一是種類尚未選育齊全。雖然育種工作者投入大量精力選育無角的牛羊品種，利用基因編輯技術，培育出了不會長角的黑白花奶牛，從而使小牛出生后無須經歷被烙去牛角的痛苦過程。但用于山羊和綿羊基因編輯育種的無角突變至今還沒有被確證。

其次，選育出的新品種也未必帶來畜牧業的增產。“原本有角的奶牛若想選育成無角品種，需進行無角品種的雜交，但是雜交后其產奶量可能會降低，反而造成了損失。一家美國基因編輯育種公司已經通過基因編輯對無角基因進行定點突變的方法，獲得的高產奶量的無角黑白花奶牛。”姜雨說，團隊正進一步探索影響無角綿羊和無角山羊的無角基因的定點突變并進行編輯。

王文表示，研究結果對于人類理解反芻動物的演化歷史、再生醫學、腫瘤生物學，以及培育新品種家畜都有重要意義。

畢竟對于這種改良新品種來說，還有什么比大家無角斗的“和睦相處”更重要的呢？