细胞质DNA对畜牧业生产性状的影响

郑新民+毕延震+华再东+张立苹+肖红卫+任红艳+李莉

摘要：从细胞质DNA组成、细胞质DNA变化、异常突变的威胁和胞质DNA资源的利用等四个方面论述了细胞质DNA特殊性及对畜牧业生产性状的影响。

关键词：细胞质遗传;线粒体;DNA;变化;性状

中图分类号：Q343.3;S81        文献标识码：A        文章编号：0439-8114（2014）20-4777-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.20.001

Effects of Cytoplasmic DNA on Traits of Animal Husbandry Production

ZHENG Xin-min，BI Yan-zhen，HUA Zai-dong，ZHANG Li-ping，XIAO Hong-wei，REN Hong-yan，LI Li

（Hubei Academy of Agriculture Science/Hubei Key Lab of Animal Embryo and Molecular Breeding. Wuhan 430064，China）

Abstract： The specificity of cytoplasmic DNA and effects of the cytoplasmic DNA on traits of animal husbandry production were reviewed from four aspects including the composition of DNA from the cytoplasm， changes of cytoplasmic DNA， threats of abnormal cytoplasmic DNA and use of cytoplasmic DNA resources.

Key words： cytoplasmic inheritance; mitochondria; DNA; variation; trait

细胞质DNA是核染色质之外另一重要的遗传物质，它的异常突变已经影响到畜牧业生产，而且对人们的健康带来极大的威胁，特别是那些从核遗传中无法解开的谜团长期困扰着临床病人，也影响着畜牧业生产。仔细研究发现细胞质中的遗传物质（胞质DNA）是其根源所在，这些性状的遗传不遵循孟德尔遗传规律，而且多数是通过母系传给其子代，在子代中也表现不均一[1]，往往难以统计和分析，研究胞质DNA可为畜牧业品种改良提供新的技术和手段，以改善畜禽的生产性能[2]，同时也能从胚胎开始预防医学上的胞质病，使母源性胞质病在胚胎期清除病因，以根治这类疾病。

1  细胞质DNA的组成

细胞质是细胞的重要组成部分，它为细胞的代谢及繁殖提供全套服务，包括能量、环境、遗传信号的传递及细胞间信息的交换等。除了这些辅助性的功能之外，细胞质还有它自己的自主性功能——细胞质遗传因子，包括细胞器基因和非细胞器基因。前者为细胞内固有的遗传物质，包括线粒体、叶绿体、中心粒、动粒和膜体系中的基因，后者不是细胞内固有的遗传物质，有共生体和附加体基因。细胞器基因可以遗传给子代，通过其后代表现出不同的性状。细胞质遗传现象最早是Correns在紫茉莉及Baur在马蹄纹天竺葵的杂交试验中发现的[1]，其后在动植物中陆续发现了胞质遗传的普遍性，这一遗传的物质基础是胞质DNA，对动物来说，其主要组成为线粒体DNA（Mitochondrial DNA，mtDNA）[3]。哺乳动物线粒体DNA编码有13个酶，参与能量产生、氧化磷酸化、22tRNA和2个rRNA等代谢。尽管所有线粒体DNA的合成产物都在线粒体内部，但线粒体内的多数蛋白质是来源于核DNA指导合成的[4]。胞质DNA的突变或异常，可以影响生物体的许多性状，如生长发育、饲料利用率和机体健康等。

2  细胞质DNA的变异

线粒体很小，每个细胞里多少不等，差别较大，一般会有成百上千个线粒体[5]，即使添加7%～14%也不改变生物的性状[6]。林纯一等学者在动物试验中发现，如果卵细胞的线粒体DNA有75%～85%变异，就会出现线粒体病，但如果变异低于65%就不会发病。据此，研究人员认为，只要母亲卵子的线粒体DNA变异比例低于65%，线粒体病就不可能传给下一代。林纯一等学者指出，只要选择变异DNA比例很低的卵子和初期胚胎，就可以遏制胎儿患上线粒体病。因此，有必要开发新方法，以便帮助高风险群体选择线粒体DNA变异比例低的卵子，降低其后代患线粒体病的可能性[7]。在家畜上mtDNA参与调节新陈代谢和能量分配，它是家畜重要经济性状潜在的候选基因[8]。

3  细胞质DNA异常突变的威胁

细胞质DNA相对于细胞核DNA稳定性要低一些，个体间、不同年龄都有所不同。以线粒体为例，Smith等[4]的核或胞质移植试验表明，核及线粒体的相互作用是非常重要的，而且线粒体在受精过程中以及整个早期卵裂阶段的变化幅度较大。虽然线粒体基因与繁殖性状的直接关系目前还不清楚，一些人类退化性疾病和牛的生产性能与特定的线粒体DNA多态性直接有关。猪的正反交试验表明线粒体DNA不仅能够遗传信息，而且能影响生产性能。对人的线粒体DNA的研究表明，线粒体DNA的缺陷与数十种人类遗传病有关，这些疾病很多是与脑部和肌肉有关的。例如，线粒体肌病和神经性肌肉衰弱、运动失调及眼视网膜炎等。林纯一教授领导的研究小组在动物试验中发现，通过选择卵子，可以防止线粒体疾病在动物“母婴”间遗传。先前研究发现，线粒体DNA如果出现异常突变，细胞的生命活动会因为能量不足而受损，尤其是需要很多能量的脑和肌肉，继续恶化下去可能会出现脑中风、智力障碍、肌肉力量下降、高乳酸血症等健康问题，它们被统称为线粒体病。线粒体病是日本确认的重要疑难杂症之一，它是通过母亲遗传给子女的[7]。

4  细胞质DNA资源的利用

细胞质DNA是一种特殊的资源，通过细胞质转移、置换或分子诊断等方式，可以对这一资源加以很好的利用。在20世纪80年代，科恩怀疑很多不孕症病人不能怀孕的原因是这些患者的卵子细胞质出了问题，他便尝试细胞质移植的方法，取7%～14%供体卵子的细胞质注射到不能正常发育的受体卵子中去，前后用卵细胞质移植技术治疗了30名不孕女性，其中17人仍然不孕，1人流产，剩余的12名女性成功生下了15个健康的孩子[6]，其中只有2人携带了来自父母之外的第三方卵子基质捐赠者的基因。而且，线粒体基因只占细胞所有基因中极小的一部分[5]。外来的线粒体基因看来并未显示出危害，可以预见的风险包括供体线粒体基因缺陷，通过遗传检测即可避免，因此风险是可控的。例如，线粒体基因的突变会产生很多严重的疾病，所以卵细胞基质的捐赠者应该像精子捐赠者那样做遗传检查。此外，还应该考虑核基因对线粒体基因的调控问题[9]。部分争议集中在管理部门应该以什么样的强度进行调控。例如，威斯康辛大学的生物伦理学家阿尔塔沙罗（R. Alta Charo）就认为FDA的这一决定超越了职权范围[10]。医学上，来自母源性异常的mtDNA病例[11]，年轻时不表现症状，随着年龄的增长，逐渐表现出不同的病症，例如乳酸性酸中毒、骨骼肌肉病变、神经性耳聋、失明、亚急性神经退行性疾病、肠道运动功能障碍和外周神经病变等[12]。在英国每250个新生儿就有1个mtDNA突变，每10 000个成年人就有1人受mtDNA疾病的困扰[13]，临床上一些精神分裂症也与mtDNA有关[14]。

然而与人不同的是，畜禽幼仔出生时的弱仔或畸形全部被淘汰，不检测病因;再加上畜禽的使用年限短，等到年老病症出现之前就处理了，对生产性能造成的影响被掩盖。Hua等[15]的研究表明，当以牛卵母细胞为受体、绵羊颗粒细胞为供体时，克隆胚中绵羊的线粒体增加会降低囊胚率;而牛线粒体增加对胚胎的发育影响不明显，即同质线粒体增加不影响胚胎的生长发育，而异质线粒体不利于胚胎的后期发育。即使是同源的线粒体，当线粒体异常时也会影响到胚胎的发育，这一现象是韩国Xu等[16]在进行猪孤雌胚体外发育试验中证实的，而正常的同质线粒体对胚胎的发育有促进作用。mtDNA对奶牛生产性状的研究始于1989年，Brown等[17]对线粒体的呼吸代谢与生产性能的关系进行试验，发现线粒体的体外氧化磷酸化效率（ADP∶O）和ATP合成速度与荷斯坦奶牛产奶量的相关性分别为0.25和0.48。Mannen等[18]在检测8头日本黑牛线粒体基因组的全序列变异位点时发现，2 232 bp替换影响眼肌面积（LMA）和牛肉大理石花纹评分（BMs），并指出此替换对肉质来说是个重要的候选基因。Oh等[19]在研究韩国牛mtDNA D-loop的序列变异以及屠宰性状的影响试验中，发现169、16 119 nt的替代效应对大理石花纹评分有重要意义，同时169 nt和16 042 nt的替代效应对背膘厚的影响为极显著（P<0.01）。Aeo等[20]研究牛母性与出生后生长特性（初生重、断奶前日增重、断奶重、断奶后日增重及周岁体重）间的关系时得出，mtDNA多态性与初生至周岁的生长性状间存在非常低的相关性。Torkamanzehi等[21]研究蛋鸡线粒体的磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶基因限制性片段长度（RFLP）和单链构象多态性（SSCP）与鸡产蛋关系时发现，由于4个碱基的突变产生3个等位基因的差异，导致PEPCK基因的第9外显子影响北美白来航鸡初产日龄，而对产蛋率和产蛋数量没有影响。

综上论述发现，直接用细胞质DNA转移或置换等手段改变家畜生产性能还不现实，主要原因是生产成本和不涉及伦理的淘汰，然而对于品种选育来说，耗时长、成本高，一旦忽视细胞质DNA遗传的影响，将有可能导致品种不稳定，甚至难以育成，其损失非常惨重，无法挽回。这意味着品种选育过程中除了考虑核遗传物质外，还要考虑胞质遗传物质的影响。

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