绵羊短尾表型研究进展

窦傲蕾，杨 光，赵霏霏，苏 红，杨宏新，马 腾，曹贵方

(内蒙古农业大学兽医学院，内蒙古呼和浩特 010018)

世界上脊椎动物的尾巴大部分是天生的，尾巴被赋予了独特的功能，如维持身体平衡、同一物种间的通讯工具和攻击、储存营养、运动、体温调节等[1]，研究人员发现一类动物的尾部长度明显短于此范围，这种现象可以稳定地遗传给后代，“短尾征”也以此现象命名[2]。在进化过程中，犬、猫、鼠、猴等动物也出现了尾巴缺失或缩短的情况。绵羊也不例外，国内外研究者因此提出了绵羊“短尾征”的概念。目前，动物短尾的成因已成为动物遗传学的重要研究内容之一。然而，国际权威网站上关于“短尾征”的研究论文主要集中在犬、猫、小鼠的短尾形成方面，绵羊短尾机制的研究较少。

中国地方绵羊品种按尾型分为5种，即短肥尾羊、长肥尾羊、短瘦尾羊、长瘦尾羊、肥臀羊。根据历史、考古和遗传学证据，蒙古羊是中国短尾羊品种的共同祖先。随着对健康、营养和肥胖认识的不断提高,人们对肉类食品质量的要求逐渐提高，脂肪含量已成为衡量肉类食品质量的主要因素，脂肪的过度积累将严重影响动物的健康和肉类食品的品质和口感，因此高蛋白羊肉在畜牧产品市场越来越受消费者的欢迎。因此，综合考虑消费者健康及牧民的养殖效益，养殖短尾羊已经成为养殖业的新选择。在众多短尾绵羊品种中，呼伦贝尔短尾绵羊因其高蛋白质含量、独特的肉质、高瘦肉率和遗传稳定而脱颖而出。呼伦贝尔羊有2个品种，即“短尾羊”和“大尾羊”。由于不同绵羊尾部性状存在诸多差异，造成此差异的遗传学机制还不明确，因此研究控制绵羊尾部表型的形成机制至关重要。论文在绵羊短尾性状遗传学机制研究上做一综述，以期对了解和研究控制绵羊尾部大小的分子机制提供理论基础。

1 绵羊尾部及短尾表型形成机制研究

研究人员发现，绵羊短尾表型的形成主要是由于尾部脂肪沉积和尾椎骨畸形[3]。目前，蒙古羊是中国分布最广、数量最多的绵羊品种。随着贸易、民族间战争和草原部落向南移动，除了内蒙古自治区外，蒙古羊被传入中国新疆、甘肃、青海、河南、山东、江苏、浙江等省份，是我国宝贵的畜牧遗传资源之一。目前，由于消费者对肉类的低脂肪、高蛋白、高营养等健康食品的要求，越来越多的牧民正在繁殖和扩大绵羊中的短尾型绵羊的养殖。这使得绵羊短尾表型形成机制成为了众多科研人员研究的热点问题。对于尾部脂肪沉积与尾椎骨畸形两方面的研究内容，不同的研究人员得出了不同的研究结论，但是，现阶段大部分相关研究更多的聚焦于某一种引起短尾性状的生物分子学机制，这可能与不同类短尾表型绵羊所在地域和人工繁育以及研究时所选参考基因组版本等诸多因素密切相关。现有研究显示，虽然不同地区短尾绵羊在表型上有一定的差异，但绝大部分表型是脂尾短厚而宽，部分覆盖或完全露出肛门、外阴。

1.1 影响短尾绵羊尾部脂肪沉积的因素探讨

储存在羊尾巴上的脂肪与储存在骆驼驼峰上的脂肪起着相同的作用，帮助它们在环境恶劣、食物资源匮乏的不利环境中生存。在食物充足的情况下，肥尾羊会在尾部储存大量多余脂肪，形成一条又长又大的肥尾巴。由于绵羊脂肪的积累需要摄取更多的能量，所以会降低绵羊的经济价值。发展和繁殖短尾型绵羊的目的是为了提高绵羊饲养过程中的肉类比例，满足消费者对健康食品的需求。早期的研究表明，影响绵羊尾巴沉积的基因不会影响绵羊的整体脂肪水平，而只影响身体某些部位的脂肪沉积[4]。一些研究人员直接以绵羊的尾巴为研究对象，筛选和鉴定与尾巴脂肪积累相关的基因。

1.1.1 基因 文献[4]选择湖羊(短肥尾)和藏羊(短瘦尾)作为研究对象，该研究指出，绵羊尾巴中的脂肪沉积和绵羊尾巴长度的类型可能与BMP2蛋白有关。另外，Bmp2基因直接参与了绵羊胚胎时期的形态和体节的发育[5]。Bmp2基因与非洲爪蟾尾巴的再生和发育有关，这一点在非洲爪蟾的研究中也得到了证实，并且Bmp2基因作为转录抑制剂直接受Vrtn基因调控。Vrtn基因也是控制绵羊和猪脊椎动物数量的主要候选基因。综合来看，Bmp2基因可能在动物骨骼发育过程中起作用。与大尾羊相比，短尾羊的尾骨数量与脂肪量明显较少，但Bmp2促进脂肪的形成和成骨细胞的分化，调节绵羊尾骨数量或直接参与绵羊尾巴脂肪的积累，影响脂肪积累量[6]。该项研究推测得出尾椎体数量的增加与脂肪沉积量的增加有密切的关系。

1.1.2 蛋白 在蛋白质组学的研究方面，有研究成果表明FABP4蛋白在尾部沉积中起着重要作用[7]，PPAR信号通路中的差异表达蛋白可能调节脂肪细胞的代谢和分化。参与PPAR信号通路的差异表达蛋白可能发挥了对绵羊尾臀部脂肪细胞的分化与脂质代谢的调节作用，特别是肥尾型绵羊的FABP4蛋白的高表达。Han J等的研究筛选得到了大尾羊中有几种与脂肪沉积和脂肪形成相关的功能候选基因包括acsl1、acaca、acly、fasn、atgl和hsl，这些基因已被验证为决定脂肪组织脂质代谢的重要因素[7]。同时，该项研究检测到acsl1、acaca、acly和fasn这4种基因分别在大尾绵羊尾部中上调，这些上调的蛋白质可能在调节脂肪酸的运输、合成和脂肪组织的形成方面起重要作用[8，9]。脂肪细胞的生长和分化导致脂肪细胞的质量增加和脂肪的积累，都是产生脂肪的主要原因[10]。PPAR信号通路对调节脂肪细胞分化和脂肪细胞增殖起着重要作用[11]，PPAR信号通路中的基因(包括Fabp4、Fabp5、Acaa1、Acsl1、Lpl、Acsl6、Plin4、Plin1、Scd和Adipoq)在大尾羊尾部基因表达明显上调。PPAR信号通路中这些上调的基因可能有助于绵羊尾部或臀部的脂肪沉积[12]。

在Ren X[13]等使用了SNP基因分型技术的研究中，发现4个候选基因(Rip140、Ctbp1、Steap4和Creb1)可能与绵羊尾部脂肪沉积相关。Hongying Fan[14]等人以呼伦贝尔短尾羊与巴尔虎羊(大尾羊)为研究对象，并进行转录组测序发现Hadnb、Echs1、Acsl5、Hadh和Ppt1这5个基因表达上调，Cpt1b和Gcdh2个基因表达下调，通过对短尾母羊与大尾母羊的数据分析发现大尾羊尾巴中有7个基因(Fads1、Fads2、Acsl1、Elovl5、Plin1、Ehhadh和Acald)上调，这解释了呼伦贝尔短尾羊和巴尔虎羊尾脂肪相关基因的差异表达。

Zhang等[15]对细尾羊和肥尾羊品种的研究中，染色体5、7和X被确定为影响脂肪沉积的3个基因组区域。Moioli等[16]对2个肥尾品种和13个细尾品种数量的标记基因全谱检测发现，基因Bmp2和Vrtn可能与羊尾型有关。Yuan等[17]在肥尾和细尾羊中检测到标记基因Bmp2、Hoxa11、Wdr92、Ppp1cc、Sp3、Sp9和Prokr1对肥尾羊和细尾羊的尾部脂肪发育有积极影响，并可通过相关基因的表达促进脂肪分解。对蒙古绵羊尾部脂肪沉积的研究表明，发育基因Hoxc13、Hoxc12、Hoxc11和脂肪尾部表达基因Sp9、Hotair3、Hotair2以及脂肪相关基因Adipoq、Cd36、Fabp4、Fabp5都是形成脂肪沉积的重要基因[18]。

1.1.3 微小核糖核酸miRNA 微小核糖核酸(microRNA,miRNA)是一种非编码的单链RNA分子，由内源性基因编码，长度约为22个核苷酸。它是由Dicer和Drosha核糖核酸酶Ⅲ蛋白质处理的茎环结构。miRNA在脂肪细胞分化和维持生物稳态中起着决定性作用。Mohammad[19]等以Lori-Bakhtiari羊(宽肥尾)和Zel羊(瘦脂尾)为研究对象，最终筛选出7个不同表达的基因，发现了3个重要的生物过程模块与胰岛素分泌、脂质代谢有关。近年来，关于miRNA在生物体内家畜脂肪组织中的作用的研究越来越多，但关于绵羊miRNA的脂质控制代谢的报道很少。徐红伟[20]等发现，从形态学和组织学的角度，以小尾寒羊和兰州大尾寒羊为实验对象，对尾脂进行组学分析，筛选出不同表达的蛋白质、基因和非编码RNA(ncRNA)等调控因子，这对了解不同肥尾类型绵羊体脂分布的机理具有重要作用；在小尾寒羊和兰州大尾巴羊的尾部脂肪组织中，共发现了11种miRNA表达的差异性，其中6种miRNA在不同的脂肪组织中表现的差异特别明显。显然，仅通过基因表达谱分析很难准确地找到脂肪沉积的特定调控途径。有必要在现有基础上进行深入研究，以揭示羊尾脂肪沉积的确切遗传机制。

1.1.4 性别因素 性别差异引起二者在新陈代谢上表现出极为显著的差异，过往研究分析了大量性别差异下的生理学异同，比如，差异化性别间的激素水平与基因表达的不同之处，研究结果显示，相对于男性腹部，女性臀部与大腿部分的脂肪沉积更明显。这说明，某些特定部分的脂肪沉积受到独特基因的控制。所以，在特定部位与不同性别间脂肪沉积的遗传机制是存在差异的。Hongying Fan[21]对比研究了呼伦贝尔短尾羊和大尾羊2类呼伦贝尔羊的尾部转录组测序结果，其创新之处体现在将性别影响因素考虑进来展开研究，在尾部大小一致的两种性别间对比，结果显示，大尾羊和小尾羊分别有独立的9个和12个生物学过程。首先，在尾部大小不一样的雄性绵羊群中，在13条KEGG信号通路内富集差异基因。在其中确定了与脂肪酸代谢存在相关性的脂肪酸降解、脂肪酸代谢和延伸率三个生物学过程。在尾部大小不一样的雌性绵羊群中所获得的差异基因，合计富集到51条KEGG信号通路，而与脂肪沉积存在相关性的信号通路有两条，参与了脂肪酸代谢和脂肪细胞中脂质降解的调控过程。然而，在短尾羊样本内与脂肪代谢相关的信号通路仅有PI3K-Akt信号传导途径这一条。在对比大尾羊和短尾公羊的差异基因富集的信号通路时发现了与过氧化物酶体增殖物激活受体γ(PPARG)相关的信号通路。此项研究确定了7个基因影响PPARG及大量其他调节因子，进而对雄性呼伦贝尔绵羊尾脂肪中与脂肪酸代谢存在相关性的基因表达变化进行了解释，其中PPT1、HADH、ECHS1、HADHB和ACSL5这5个基因被上调，而CPT1B和GCDH基因则被下调。通过对比分析大尾与短尾母羊的相关数据可知，前者尾部的FADS1、ACADL、FADS2、PLIN1、ELOVL5、ACSL1和EHHADH基因表达都有上调，这7个基因可能影响绵羊胰岛素的分泌，并且也能够对巴尔虎羊与呼伦贝尔短尾羊尾脂肪中与脂肪酸代谢存在相关性的基因的差异表达进行了解释。

1.2 影响短尾绵羊尾椎骨发育的因素探讨

1.2.1Brachyury基因Brachyury基因(T基因)编码属于T-box转录因子家族的BRACHYURY蛋白。BRACHYURY蛋白的转录活性在中胚层的形成和分化中起着关键作用[22]。Brachyury/T基因首先在原肠期表达，随后的表达逐渐局限于发育中的尾芽和脊索，Brachyury/T基因的缺失或不正确表达将导致狗、猫、小鼠和绵羊的正常胚胎发育异常[23]。Brachyury/T基因在脊椎动物发育过程中可调控转化生长因子和Wnt信号通路，Brachyury/T基因在突变杂合子个体中显示骨缺损，在突变纯合子个体中显示严重的发育障碍，最终导致发育停止和死亡[24]。在对伊朗Dalagh短尾羊和Mehraban羊的研究中，提到纯合Brachyury/T突变仅表明这些羊的尾部脊椎发育受到抑制[25]，这表明Brachyury/T突变可能促进大尾羊尾部脂肪的积累。

在J Han[26]等的研究中，特别强调羊尾巴表型与Brachyury/T基因的c.333G与c.G334T 的2个突变有关。对于Brachyury/T中的这2个突变位点，纯合基因型为CT/CT，仅存在于短尾绵羊中，但在大尾绵羊中未发现该基因型。Pfam结构域分析表明，333和334个核苷酸分别对应于111和112个氨基酸残基，短臂蛋白的T盒结构域可以激活基因转录。进一步的杂交试验表明，短尾羊和大尾羊后代Brachyury/T基因的333与334为杂合GG/CT突变，均为长尾或正常表型。结果表明，GG单倍型为单显性基因遗传，CT/CT可能为“短尾”表型的隐性基因型。仅通过对Brachyury/T基因表达的分析，很难了解尾椎体畸形的具体调控途径。有必要在现有研究的基础上进一步研究，以揭示绵羊尾部脂肪沉积的确切遗传机制。

1.2.2 其他基因 MGI数据库内记载了与短尾表型存在相关性的多种基因。对于小鼠身上导致短或异常尾巴的一系列不同基因可被视为是绵阳等其他短尾动物的候选基因。在关于鼠的研究中，从遗传学维度分析了轴向骨骼发育，研究结果显示，大量不同类基因与突变参与了尾椎骨的发育，并影响到机体的生殖力、体细胞与减数分裂，进而清晰地揭示了脊椎动物的进化过程[27]。

Pax1基因(成对框基因1)主要参与了骨骼发育和转录调控过程。在脊柱动物胚胎阶段脊柱发育过程中发挥着关键性的作用[28]。Pax1在小鼠中3个等位基因突变导致出现短尾或无尾现象，Pax1基因参与生骨节凝聚过程，且腰骶椎周围并未发生内侧生骨节的凝聚过程，因为不能正常无成此地程，使椎体与椎间盘无法正常生成[29]。

Wnt3a基因是Wnt家族中的一个成员，其对胚胎期神经后轴的增殖与体节发育都不可或缺[30]。去除此基因的小鼠，由于尾芽不能正常发育使得其身形变短，纯合突变的小鼠尾部大幅变形，表现出短尾、丝状尾和无尾等现象，尾椎骨不完整，椎体外形不正常。一些小鼠甚至缺少骶骨前椎体，并在这些部位可观察到畸形的尾部神经管。

再者，还有HES7基因[31]、Bmper[32]、Dvl2[33]和T基因[34]等。但是，考虑到动物的尾部形态类型多样，只是研究鼠这一种动物，是不可能下结论解释其他哺乳动物尾巴的多样性。所以，需要进一步研究非模型物种，深入全面地研究绵羊等非鼠类哺乳动物尾巴的多样性机制。

2 展望

绵羊尾部脂肪堆积过多，尾部过大，无法满足目前人们对优质肉类的需求。绵羊尾巴脂肪积累和绵羊尾骨发育畸形的遗传调节机制对绵羊新品种的选择具有重要意义。论文从影响短尾绵羊尾部脂肪沉积的因素、影响短尾绵羊尾椎骨发育的因素深入探讨绵羊短尾表型形成机制，综述了基因、蛋白、miRNA和性别对绵羊尾部脂肪沉积的影响以及Brachyury基因和其他基因对短尾绵羊尾椎骨发育的影响。通过总结国内外绵羊短尾表型形成机制的研究现状，关于绵羊短尾表型形成机制未来优化研究提出若干展望。后续研究中可精准筛选与绵羊尾部脂肪堆积和尾椎骨畸形过程相关的基因，探索绵羊尾部表型的调节机制，对分析绵羊尾部表型的形成具有重要价值，培育短尾和低脂肉用绵羊具有重要的意义。