奶牛业是我国畜牧业的重要组成部分，研究奶牛性状的遗传基础可以提高奶牛的选育效率，为奶业以及畜牧业的可持续发展提供有力支撑。基因组选择技术作为新一代分子育种技术能实现“精确育种”，能有效提高选育效率，缩短育种年限，被广泛应用于畜禽育种领域研究中。本文主要综述了潜在影响奶牛生长性状的6个功能基因，以期能为奶牛选种、选育提供一定的理论依据。
□付睿 李艳华 麻柱
奶牛生长性状主要是指由体格大小、体重增长和生长速度等组成的与奶牛生长、发育有关的性状。多年来在奶牛育种和生产管理中，生长性状多被视为奶牛生产中的非经济性状，监测多以协助提高生产性状、提升牧场管理效率为目的。健康稳定的生长发育是保证奶牛健康养殖及高效繁殖的基础，因此奶牛选育在挑选生长速度较快个体的同时，也需避免体型过大造成的健康等问题。选择初生重适宜、发育速度快、成年体型适中的个体，直接影响着奶牛生产性能和经济效益。
随着第二代测序技术在奶牛育种中的研究越来越广泛，利用高通量测序数据在基因组选择水平对奶牛生长性状进行遗传评估，筛选出影响奶牛生长性状的重要候选基因已被提到日程。经大量研究结果证实，奶牛生长性状与产奶性能、繁殖性能等经济性状关系密切，可直接影响奶牛的健康及牧场效益。
本文主要对FRZB（卷曲同源蛋白）、BHLHE40（E类基本螺旋环螺旋蛋白40）、MED13L（Mediator复合物亚基之一）、HMGA2（高迁移率组蛋白2）、DMP1（牙本质基质蛋白）、HNF4G（肝细胞核因子4γ）等6个奶牛生长性状候选基因进行综述，以期为奶牛生长性状研究和分子育种提供参考。
与奶牛生长性状有关的候选基因
1.FRZB基因
FRZB属分泌型卷曲相关蛋白（SFRP）家族中的分泌型卷曲相关蛋白3（SFRP3）家族成员之一，主要编码一类分泌型糖蛋白。1996年Hong等人在测定牛软骨提取物的活性成分时鉴定得出，将其命名为FRZB。其中FRZ表示该基因与果蝇卷曲蛋白（Frizzled）含相似的Frizzled序列，B表示该基因与骨骼发育有关，在胚胎早期软骨及发育骨骼中的软骨中被检测到，也被认为是一种软骨因子。相关研究已经证明，分泌型糖蛋白（Wnt）通路在发育过程中起关键作用，在组织增殖、细胞分化凋亡中也发挥一定作用。Wnt信号传导通路是生物进化过程中十分保守的信号通路，而FRZB基因作为Wnt信号通路的天然拮抗剂，对生长发育的调控起着关键作用。
在胚胎学相关研究中显示，FRZB会抑制Wnt/beta-catenin（Wnt信号通路中最核心、最经典的分支）信号传导进而影响胚胎的发育。徐珍等验证了FRZB基因单核苷酸多态性（SNP）与美系大白猪群体背膘厚有显著相关性。王志秀等发现，存在于FRZB基因上游5＇非编码区域的2个SNPs（单核苷酸多态性），显著影响淮猪新品系的生长性能，且与肌肉生长呈正相关，与脂肪沉积则为负相关。陈平博等以FRZB作为候选基因，选取4个不同品种的绵羊个体进行筛查，验证得出FRZB基因的内含子区存在一个插入突变，后经分析表明该突变会直接影响绵羊个体的生长。经进一步确认，FRZB基因可作为绵羊生长性状的潜在育种分子标记。牛FRZB基因位于2号染色体上，基因组全长37668bp，含8个外显子，编码325个氨基酸。作为与生长性能有关在不同物种间高度保守的候选基因，挖掘牛FRZB全基因组潜在的SNP位点，对分析牛生长性状具有一定价值。
2.BHLHE40基因
碱性螺旋—环—螺旋（BHLH）转录因子家族是拟南芥中最大的转录因子基因家族之一，根据系统发育与DNA结合的能力，将真核生物BHLH成员分为A、B、C、D、E、F六大类群。BHLH广泛存在于真核生物中，由影响机体发育过程的大量蛋白质组成。
BHLHE40主要在免疫系统调节中发挥作用，在细胞周期和细胞因子中起到正向调节作用。研究表明，BHLHE40在包括软骨、肺、脾和肠等多种组织中表达，而脑中未检测到，其主要参与人类和牛的骨骼肌发育。BHLHE40基因的一种新突变与18月龄左右南洋牛的平均日增重显著相关。许多调节生长的基因座在哺乳动物中是共享的，在人类和牛发现了一组与身高相关的共同基因。有研究也报道了与成人身材和小牛体型相关的两个基因座。牛BHLHE40基因位于22号染色体上，含5个外显子，基因组全长5642bp，编码412个氨基酸。已有研究表明，BHLHE40能明显影响牛骨骼生长，对身高体重也有明显调控作用，是重要的候选功能基因。
3.MED13L基因
转录中介体复合物是由Roger Kornberg首次发现的一类由30个亚基组成的高度保守的大型蛋白质复合物，在真核生物转录过程中发挥着关键作用，进一步可控制生物体的发育和体内稳态。MED13L是组成中介体复合物（Mediator）的重要亚基之一。
研究发现，在小鼠合子基因组激活（ZGA）的过程中，中介体复合物亚基MED13在小鼠卵母细胞成熟过程中被翻译，早期从合子基因组转录。经敲低和条件敲除方法证实，MED13对小鼠的ZGA起着至关重要的作用。作为MED13平行物的MED13L能有效补偿机体因MED13缺失而无法起到调控作用，MED13对驱动小鼠“卵母细胞到胚胎的转变”也是至关重要的。在探究影响发育迟缓及面部畸形综合征的研究中发现，MED13基因编码的蛋白质在胚胎发育和神经系统发育中发挥重要的调控作用，当MED13L突变或缺失时，通常会导致发育迟缓。
研究发现，通过敲低奶牛乳腺中MED13L的表达，乳腺上皮细胞增殖和分化能力明显下降，表明MED13L对维持乳腺正常发育至关重要。MED13L也能与脂肪酸合成酶（FASN）基因特定转录因子结合，进一步促进乳脂合成。而在病原体感染的奶牛中MED13L的表达水平较高，表明MED13L可能与奶牛的抗病性有关。牛MED13L位于17号染色体，含有31个外显子，基因组全长282978bp，编码2209个氨基酸。作为重要的转录共激活因子，MED13L在机体中的异常表达潜在影响牛的生长发育。
4.HMGA2基因
高迁移率蛋白家族（HMG）是上世纪60年代由Johns最先发现，1973年由Goodwin等人首次在牛胸腺中提取后并鉴定，该类蛋白均存在于真核细胞内。HMGA2可通过染色质结构间的重塑以及在启动子及增强子区域多蛋白复合物的形成来调节基因的表达。HMGA2的过表达及低表达能明显影响机体生长发育。HMGA2蛋白在胚胎细胞的发生过程中普遍表达，而在完全分化的成年组织中表达量很低或检测不到，这表明高迁移率族蛋白A（HMGA）蛋白可调节正常细胞的生长和分化。
有研究发现，HMGA2基因结构的重排会导致骨骼的过度生长和过度骨化。最早关于犬、猪、牛等的报道指出，HMGA2可以影响生长、肥胖和骨骼系统。存在于HMGA2基因中的单核苷酸多态性与人群身高存在显著关联。HMGA2蛋白可通过影响与软骨形成有关基因的表达，促进体外培养软骨细胞的增殖和生长。也有研究表明，HMGA2基因与骨密度有密切联系，可以抑制骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化。HMGA2在胚胎发育过程表达量高，而在成年组织中表达量低，因此目前认为HMGA2可能调控心脏发育的早期阶段。成年人和小鼠组织中的HMGA2表达明显低于自身的胚胎组织，HMGA2基因敲除后小鼠表现出明显侏儒症。存在于HMGA2序列下游的显著差异可进一步解释荷斯坦牛BW12（12日龄体重）约1.3%的表型差异，其中在Bauman等的研究中确定了HMGA2的163个可调节牛体型的重要基因组区域，其中包括一个错义变体。牛个体间基因组序列差异主要集中在启动子和编码区。牛HMGA2基因位于5号染色体，含5个外显子，4个内含子，基因组全长149656bp，编码109个氨基酸，是影响体型性状的重要候选基因。
5.DMP1基因
牙本质基质蛋白（DMP1）是一类在牙齿矿化过程发挥作用的蛋白质，也是一类存在于细胞外基质中富含天门冬氨酸、丝氨酸和谷氨酸的分泌型酸性磷化蛋白，主要在牙本质和骨组织中表达。该蛋白属于组成非胶原蛋白细胞外基质蛋白的小整合素结合配体N端连接糖蛋白家族（SIBLING）。多项研究证实，全长DMP1可能代表一种非活性前体，很少以全长形式存在，需经裂解才可发挥功能。
DMP1对成牙细胞和成骨细胞的成熟以及通过局部和全身机制的矿化过程至关重要。最初研究普遍认为DMP1只在牙中表达，属于牙本质特异性蛋白。但随着对DMP1的进一步研究得出，DMP1不单局限表达在牙胚发育过程中，在机体骨组织内也发挥一定作用。在胚胎发育时期不仅有DMP1的表达，同时在骨骼重塑阶段DMP1也发挥着关键作用。牛DMP1基因位于6号染色体，含6个外显子，5个内含子，基因组全长16784bp，编码512个氨基酸。最近在牛DMP1的互补DNA中也发现了与小鼠DMP1片段相似的序列，其在胎牛脑中有短暂表达，伴随生长和发育过程，DMP1在胎牛脑中的表达消失和降低。通过调控DMP1的表达，也可提高奶牛排卵率和胚胎发育质量，进一步提高奶牛的繁殖性能。DMP1在骨组织形成的表达调控中发挥着重要作用，是潜在影响牛生长性状的功能候选基因。
6.HNF4G基因
HNF4G是肝细胞核因子4（HNF4）的同工型之一，属于肝细胞核受体超家族成员，是一类在多种组织中调控表达的转录因子。研究表明主要在胰腺、肾脏、小肠等组织中表达，在Ayari等人研究中得出HNF4G在失效状态可以防止饮食引起的肥胖。HNF4G的遗传变异与人类的身高和肥胖以及肉牛的肌内脂肪沉积有关。高肌内脂肪（IMF）给牛肉生产及售卖带来很大冲击，在研究影响IMF形成的基因互作途径可为基因组选择提供信息，提高育种价值预测的准确性。HNF4G可参与包括胆固醇、脂肪酸和葡萄糖代谢等多个基因表达，HNF4G是胴体IMF关键的调控因子。在对HNF4G的靶基因预测时发现15.6%与组织形态和发育有关，6.5%参与脂质和碳水化合物代谢。HNF4G可通过激活相关靶基因促进奶牛乳腺发育，通过调控脂肪酸酶基因的表达调节乳脂代谢。牛HNF4G基因位于14号染色体，含有12个外显子，编码408个氨基酸。已有研究证明HNF4G的表达会引起肌内脂肪沉积、影响体长，是重要的功能候选基因。
小结
提高牛生长性状是构建高质量生产群体的关键途径之一，挖掘潜在影响牛生长性状的候选功能基因是快速构建优势群体的有效方法。全基因组选择技术通过整合个体基因组信息与表型数据可实现短期内改进物种遗传素质，提高生产性能，更进一步提高育种效率和准确性。本文综述的FRZB、BHLHE40、MED13L、HMGA2、DMP1、HNF4G等6个潜在影响生长性状（背膘厚、身高、体重、骨骼生长）的功能基因，在经大规模基因组测序筛选单核苷酸多态性位点后，可经表型定位基因，筛选具有显著影响性状并具遗传效应的位点进行验证，为更精确选择及培育出优良性状个体的育种工作奠定了基础。
（作者单位：农业农村部奶牛遗传育种与繁殖重点实验室）