利用Y染色体进行鹿科动物的起源和进化分析

苏莹，鞠贵春，邵元臣，王洪亮，邢秀梅※，高兵，常彤

(1．中国农业科学院特产研究所特种经济动物分子生物学国家重点实验室，长春?130112； 2．吉林农业大学中药材学院，长春?130118)

鹿科动物属哺乳纲偶蹄目，雄性生有1对实心分叉角，雌性无角，全世界约有34种。目前，我国鹿科动物遗传多样性的研究主要集中在线粒体DNA方面，父系起源方面的研究比较少。

1 Y染色体概况

在异配性别的物种中，Y染色体仅存在于雄性个体中，在某一物种内，它在所有染色体中形态最小、基因数目最少[1]。在高等生物中(XY型性别决定系统)，仅有Y染色体具有单倍体的特征，在减数分裂中，95%的Y染色体不与X染色体发生重组和交换，这个区域被称为Y染色体雄性特异区[2]。研究发现，Y染色体雄性特异区由异染色质和3类常染色质拼接而来，其中，这3种常染色质包括X染色体转座序列、X染色体退化序列和扩增序列。其余5%的Y染色体与X染色体结构相似，称为拟常染色体区。拟常染色体区(PAR)位于Y染色体短臂的末端，在减数分裂过程中与X染色体进行重组[3]。

Y染色体具有父系遗传、非重组区、有效作用小、存在连锁反应等遗传学特性。目前，许多学者多利用Y染色体上的SRY、ZFY、AMELY、UBE1Y、UTY、DBY等基因进行起源进化研究。另外，Y染色体的这些特征使得它成为许多研究领域的有效工具。目前，人类Y染色体上已经发现了156个转译单位，其中包括78个编码蛋白质，可编码27个不同的蛋白质[4]。同时，推测Y染色体上共有7117个基因，含有约5.9万Kb的DNA，其中约有60%的基因位于其长臂的异染色体区Yq12。但是，关于鹿科动物这方面的研究还不是很清楚。

2 Y染色体遗传多样性及研究进展

与线粒体DNA标记相比，Y染色体非重组区DNA严格遵循父系遗传，并且具有多态性高、特异性强等特点，是研究起源和迁徙路线的理想工具。目前，关于Y染色体的分子遗传多样性研究主要包括Y染色体单核苷酸(Y-SNP)多样性、Y染色体微卫星(Y-STR)多态性及Y染色体基因拷贝数变异(CNV)[5]。

2.1 Y染色体单核苷酸多样性及其研究进展

单核苷酸多样性(SNP)是人类和动物基因组中普遍存在的一种分子标记。主要是指在基因组水平上由单个核苷酸的变异所引起的DNA序列多态性。SNP作为第3代分子遗传标记，具有分布广泛、多态性丰富、易于实现自动化分析、稳定遗传[6]等特点。

在Y-SNP标记研究方面，A.Ludwig等[7]在前人的基础上利用线粒体基因组以及Y染色体上的ZFY、UTY、USP9Y等3个基因进行白牛的起源研究，发现了Y2单倍型，但没有发现Y1单倍型。常振华等[8]利用DDX3Y-7、UTY-19、ZFY-9、ZFY-10共4个Y-SNP位点来研究中国黄牛Y染色体SNPs的遗传多样性及父系起源，发现了Y1和Y2 2种父系起源。Ginja等[9]利用mtDNA和Y染色体变异对伊比利亚本地牛种、瘤牛牛种进行研究发现，伊比利亚本地牛种中存在Y1单倍型和Y2单倍型。Xiang peng Yue等[10]利用线粒体D-loop序列以及25个Y-SNP标记对21个蒙古牛种4个瘤牛牛种进行研究，共发现了2个单倍型。Li，R等[11]利用牛科动物Y染色体上的ZFY、SRY、UTY、USP9Y、AMELY、OFD1Y等6个基因筛选了16个片段，对耗牛Y染色体的单倍型多样性进行分析，共发现了YH1、YH2、YH3 3种单倍型，其中，YH1为较古老的单倍型。Meadows等[12]对全球的野生和驯养绵羊的Y染色体多态性进行研究，在SRY基因上发现1个SNP(A/G)，并计算了绵羊Y染色体核苷酸多样度。目前，鹿科动物Y-SNP方面的相关研究非常少，利用牛、羊作为参考来研究鹿科动物Y染色体遗传多样性具有很好的前景。

2.2 Y染色体微卫星多态性及其研究进展

人的Y-STR短串联重复序列是由2～6个碱基作为核心单位串联重复形成的一类具有长度多态性的DNA序列，作为继限制性片段长度多态性之后的第二代遗传标记，遵循孟德尔遗传规律并呈显性遗传[13]。Y-STR对于重构父系进化历史有着极其重要的价值[14]。在Y-STR标记研究方面，尹君[15]采用微卫星技术对完达山地区马鹿群体的遗传多样性进行了探索性研究，成功地对31只个体进行识别，并探索了STR在野生东北马鹿个体识别中的应用[16]。贾斌等[17]应用微卫星技术对新疆塔里木马鹿的遗传多样性研究发现，塔里木马鹿遗传变异度较高，遗传多样丰富。王洪亮[18]采用Cytb基因序列分析和微卫星标记技术对新疆塔里木马鹿、阿尔泰马鹿、天山马鹿3个马鹿亚种群体、系统发育和遗传多样性研究发现，3个亚种群体处于中等遗传多样性，其中塔里木马鹿最低，阿尔泰马鹿最高。袁国伟等[19]应用微卫星技术对新疆塔里木马鹿遗传多样性与产茸量的相关性进行研究发现，微卫星位点BM4208的166bp/185bp基因型和微卫星BM888的208bp/208bp基因型可以对新疆塔里木马鹿的产茸性状进行分子遗传标记。熊建杰[20]设计了20对微卫星引物对西北地区的4个中国特有鹿种的遗传多样性进行研究发现，群体都存在不同程度的近交或杂交。

雷天云[21]应用微卫星DNA对甘肃马鹿的遗传多样性进行分析，并对其与青海马鹿的亲缘关系进行验证发现，甘肃马鹿与青海马鹿有较近的亲缘关系。马合木提·哈力克等[22，23]利用微卫星技术分别对野生天山马鹿哈密种群、新疆天山马鹿南山种群的遗传多样性进行研究发现，野生天山马鹿哈密种群与天山马鹿南山种群均具有比较丰富的遗传多样性。目前，鹿科动物Y-STR标记的研究刚刚起步，许多学者开始利用Y-STR进行Y染色体遗传多样性的研究。

2.3 Y染色体基因拷贝数变异及其研究进展

CNV是指有许多至少为1kb的DNA片段存在拷贝数突变，这些拷贝数的删除、插入和复制的变异统称为拷贝数变异[24]。多数情况下，拷贝数变异多与基因表达和表型有关系。CNVs广泛存在于基因组中，任何拷贝数的变化将可能影响一个较宽区域的基因组序列的变化[25]。

在Y染色体基因拷贝数变异研究方面，主要集中于对Y染色体TSPY、HSFY、PRAMEY和ZNF280BY等基因的研究。李浩天等[26]利用qPCR对2头蒙古马、1头纯种马的全基因组CNV进行检测发现，存在基因结构的变异，并且这种差异很普遍。乐祥鹏等[27]利用HSFY、ZNF280BY、PRAMEY基因对北美地区的荷斯坦公牛进行了研究，共发现了4个父系起源，并发现它们的拷贝数变异与荷斯坦公牛的睾丸大小呈负相关关系。柴志欣等[28]通过RT-PCR对HSFY2、PAZZAP2基因进行扩增发现，HSFY2、PAZZAP2基因在牦牛、普通牛以及犏牛的睾丸组织中均有表达，表达水平差异显著。Christine K.Hamilton等[29]通过实时定量PCR对牛的HSFY基因进行扩增后发现，存在70个拷贝，不同的公牛品种间CNV的差异不显著。目前，鹿科动物关于Y染色体拷贝数变异的研究还很少，家畜CNV方面的研究为其提供很好的平台，具有很大的参考价值。

2.4 微卫星和单核苷酸多样性联合作用的研究进展

由于Y-SNP的多样度较低，Y-SNP标记只能定性地区分单倍型组，但无法表现单倍型组内部的单倍型和多态性，而微卫星标记可以补充这个不足，首先使用Y-SNPs来确定动物主要的Y染色体单倍型组，再根据Y-STRs来细化各个单倍型组内的Y染色体单倍型，二者结合起来就可以完整地反映动物Y染色体的起源历史[30]。

在Y-SNP和Y-STR标记联合研究方面，Ginja等[31，32]利用13个SNP标记以及1个STR标记对葡萄牙本地牛种和瘤牛牛种进行研究发现，2个牛种间存在基因交流，之后又利用Y-SNP和Y-STR对葡萄牙牛和美洲克里奥尔牛的多态性进行研究，发现了丰富的Y染色体单倍型多样性，并进行了血统鉴定。Shafer等[32]综合使用Y-SNP、微卫星和mtDNA等技术，研究了巴拉诺夫岛上北美野山羊的起源进化情况，证实该岛上的山羊主要是冰河时代残存下来的物种。目前，在鹿科动物上还很少有学者进行研究，但是微卫星和单核苷酸多样性联合应用具有很好的研究价值，这将是研究鹿科动物父系起源很好的技术手段。

3 讨论

在现代保护生物学研究中，关于鹿科动物的研究越来越多，主要集中在线粒体DNA方面，并且大多是基于Cytb、12sRNA和16sRNA等基因及D-loop区进行研究[33]。2012年，涂剑锋等[34]测定了13种鹿亚科动物线粒体DNA的D-loop区全序列，并结合GenBanK数据库中12种鹿科动物同源序列分析来研究鹿科动物的分类和系统进化。2012年，Barancˇeková等[35]测定了捷克梅花鹿线粒体DNA的cytb基因和D-loop控制区，探讨了捷克梅花鹿系统进化关系。

虽然线粒体DNA方面的研究可以提供鹿科动物母系起源的证据，但还需要Y染色体分子遗传多样性的研究来补充Y染色体非重组区父系起源的遗传学证据，以研究鹿科动物的起源、驯化历史及迁徙路线。目前，关于Y染色体的研究主要围绕SRY、ZFY、PBY、UTY等基因进行。张志清[36]利用SRY基因对中国黄牛的父系和母系起源进行研究发现，SRY基因保守性极强，并未检测到特异性SNP位点。白文林等[37]对绒山羊的SRY基因的HMG-box区进行克隆，并对其序列结构进行分析，结果发现，其保守性极强。Ginja等[38]利用Y染色体上的DDX3Y、UTY、ZFY这3个基因设计了5对特异性引物，对葡萄牙本地牛种、3个外地牛种以及瘤牛牛种的单倍型进行分析，首次发现了10个单倍型。Bollongino R.等[39]利用位于Y染色体上的ZFY和UTY这2个基因的片段对黄牛的起源进行研究，发现了Y2单倍型。Bonfiglio S.等[40]同样利用位于Y染色体上的USP9Y基因片段进行研究，发现了Y1单倍型。但是，A.Ludwig等[7]利用USP9Y、UTY、ZFY这3个基因的片段设计特异性引物对本土白牛进行多样性分析，对3头公牛的3个基因的相同片段进行检测并与参考序列进行比对并没有发现变异位点。进一步对UTY、ZFY基因进行分析发现了其存在单倍型Y2。另外，他利用线粒体基因组进行测序发现了6个新的单倍型，并且这6个单倍型在其他牛种中一直未被发现过。综上所述，SRY基因的保守性极强，而ZFY、DDX3Y、UTY、USP9Y这几个基因保守性相对较弱，可以尝试利用其对鹿科动物Y染色体遗传多样性进行研究。

在现代保护生物学的研究中，生物多样性的研究占据着非常重要的地位，鹿科动物Y染色体分子遗传多样性及Y染色体组学的研究仍具有广阔的前景，这将为鹿科动物遗传资源保护、育种改良及进一步开发利用提供重要的理论依据，进而为推动我国未来养鹿业的发展做出贡献。

[1]杨仙荣.人类Y染色体的演化[J].遗传,2014,(9):849-856.

[2]李辉.Y染色体与基因家谱[J].世界科学,2013,(2):24-27.

[3]Otto S.P.,Pannell J.R.,Peichel C.L.,et al.About PAR:the distinct evolutionary dynamics of the pseudoautosomal region[J].Trends Genet,2011,27(9):358-367.

[4]Skaletsky H.,Kuroda-Kawaguchi T.,Patrick J.,et al.The male-specific region of the human Y chromosome is a mosaic of discrete sequence classes[J].Nature Publishing Group,2003,423:825-837.

[5]徐舒远,陈和平,党瑞华,等.家畜Y染色体分子遗传多样性研究进展[J].家畜生态学报,2014,35(2):1-5.

[6]Vignal A.,Milan D.,SanCristobal M.,et al.A review on SNP and other types of molecular markers and their use in animal genetics[J].Genet Sel Evol,2002,34(3):275-305.

[7]Ludwig A.,Alderson L.,Fandrey E.,et al.Tracing the genetic roots of the indigenous White Park Cattle[J].Anim Genet,2013,44(4):383-386.

[8]常振华,卫利选,张润锋,等.中国黄牛Y-SNPs遗传多样性与起源研究[J].畜牧兽医学报,2011,42(11):1537-1542.

[9]Ginja C.,Penedo,M.C.T.Melucci,et al.Origins and genetic diversity of New World Creole cattle:inferences from mitochondrial and Y chromosome polymorphisms[J].Anim Genet,2010,41(2):128-141.

[10]Xiang peng Yue,Ran Li,Li Liu,et al.When and how did Bos indicus introgress into Mongolian cattle[J].Gene,2014,537:214-219.

[11]Li R.,S.-Q.Wang,S.-Y.Xu,et al.Novel Y-chromosome polymorphisms in Chinese domestic yak[J].Anim Genet,2014,(45):449-452.

[12]Meadows,Hanotte,Drøgemüller,et al.Globally dispersed Y chromosomal haplotypes in wild and domestic sheep[J].Anim Genet,2006,37(5):444-453.

[13]周丽宁,莫世泰.人类短串联重复序列的应用研究[J].广西医科大学学报,2005,22(3):476-478.

[14]孟祥宁,薛雅丽,傅松滨.利用Y染色体进行人类起源和进化分析[J].国外医学:遗传学分册,2003,26(2):63-66.

[15]尹君.黑龙江省完达山地区马鹿的遗传多样性分析[D].哈尔滨:东北林业大学,2007.

[16]尹君,张明海,谢绪昌.STR在野生东北马鹿个体识别中的应用[J].野生动物,2007,(3):42-44.

[17]贾斌,张苏云,席继锋,等.新疆塔里木马鹿遗传多样性的微卫星分析[J].畜牧与兽医,2006,(11):17-20.

[18]王洪亮.新疆3个马鹿亚种系统发育与遗传多样性研究[D].杨凌:西北农林科技大学,2008.

[19]袁国伟,席继峰,郭庆河,等.塔里木马鹿微卫星遗传多样性与产茸量的相关性研究[J].经济动物学报,2008,12(1):6-12,23.

[20]熊建杰.西北地区4个中国特有鹿种的微卫星遗传多样性研究[D].杨凌:西北农林科技大学,2010.

[21]雷天云.应用微卫星DNA分析甘肃马鹿遗传多样性及其与青海马鹿的亲缘关系[D].兰州:甘肃农业大学,2009.

[22]夏米西丁·阿不都热依木,艾斯卡尔·买买提,马合木提·哈力克,等.野生天山马鹿哈密种群微卫星遗传多样性[J].野生动物学报,2014,35(1):38-44.

[23]孜拉吉古丽·西克然木,热沙来提·吐尔地,马合木提·哈力克,等.新疆天山马鹿南山种群遗传多样性研究[J].干旱区资源与环境,2014,28(12):132-137.

[24]Henrichsen C.N.,E.Chaignat,A.Reymond,et al.Copy number variants,diseases and gene expression[J].Hum Mol Genet,2009,18(1):1-8.

[25]郄淑燕,潘博,马全胜,等.基因拷贝数变异与人类疾病研究进展[J].中国优生与遗传杂志,2010,(3):1-3.

[26]李浩天,王伟,凌宇,等.蒙古马基因组拷贝数变异的研究[J].中国畜牧兽医,2015,42(1):153-160.

[27]乐祥鹏.Y染色体遗传变异及其与公牛繁殖性能的关系研究[D].杨凌:西北农林科技大学,2014.

[28]柴志欣,王侠,姬秋梅,等.耗牛、普通牛及其杂种犏牛HSFY2、DAZAP2基因表达的研究[J].西南农业学报,2014,27(3):1278-1283.

[29]Hamilton C.K.,Revay T.,Domander R.,et al.A large expansion of the HSFY gene family in cattle shows dispersion across Yq and testis-specific expression[J].PLoS One,2011,6(3):e17790.

[30]李冉,常振华,徐苹,等.黄牛Y染色体分子遗传多样性研究进展[J].中国牛业科学,2012,38(4):43-47.

[31]Ginja C.,Penedo M.C.T.,Melucci L.,et al.Origins and genetic diversity of New World Creole cattle:inferences from mitochondrial and Y chromosome polymorphisms[J].Anim Genet,2010,41(2):128-141.

[32]Shafer A.B.,White K.S.,Cote S D.,et al.Deciphering translocations from relicts in Baranof Island mountain goats:is an endemic genetic lineage at risk[J].Conservation Genetics,2011,12(5):1261-1268.

[33]邵元臣,刘华淼,张然然,等.鹿科动物线粒体DNA概述及分子进化研究进展[J].特产研究,2014,(2):67-70.

[34]涂剑锋,邢秀梅,刘琳玲,等.基于线粒体控制区全序列的鹿亚科系统发育分析[J].西北农业学报,2012,(3):22-26.

[35]Barancˇeková M.,Krojerová-Prokeová J.,Voloshina I.V.,et al.The origin and genetic variability of the Czech sika deer population[J].Ecological research,2012,27(6):991-1003.

[36]张志清.中国四个黄牛品种的父系和母系起源研究[D].杨凌:西北农林科技大学,2005.

[37]白文林,马芳,尹荣焕,等.内蒙古绒山羊SRY基因HMG-box的分子特征分析[J].西北农林科技大学学报:自然科学版,2009,37(7):44-50.

[38]Ginja C.,Lui’s Telo Da Gama,Cecilia T Penedo,et al.,Y Chromosome Haplotype Analysis in Portuguese Cattle Breeds Using SNPs and STRs[J].Journal of Heredity,2009,100(2):148-157.

[39]Bollongino R.,Elsner J.,Vigne J D.,et al.,Y-SNPs do not indicate hybridisation between European aurochs and domestic cattle[J].PLoS One,2008,3(10):e3418.

[40]Bonfiglio S.,Gaetano D.,Tesfaye K.,et al.A novel USP9Y polymorphism allowing a rapid and unambiguous classification of Bos taurus Y chromosomes into haplogroups[J].Anim Genet,2012,43(5):611-613.