与奶牛乳脂及乳蛋白合成有关的候选基因研究进展

吕小青，杨宇泽，刘林，李厚诚，郑伟杰，赵凤，赵春颖，常卓，路永强

（1.北京奶牛中心，北京 100192；2.农业农村部奶牛遗传育种重点实验室，北京 100192；3.北京市畜牧总站，北京 100101，4.中国农业大学动物科技学院，北京 100193）

奶业的发展对促进畜牧业产业转型升级，改善国民膳食结构、增加农民收入及增强国民体质作出了重要贡献。对于我国奶业未来的发展方向，除了确保安全外，还应该在安全的基础上提高品质，把优质作为重要的发展方向。乳蛋白与乳脂肪的含量与组成是构成牛奶重要营养品质的主要物质基础，它既涉及质量安全，又是奶业核心竞争力的标志。随着分子生物学技术的快速发展，促进了分子畜种技术的应用，奶牛泌乳关键基因与乳品质的关系始终是奶牛营养和牛奶品质研究的重要基础科学问题。

近年来，探索牛奶营养品质形成过程中的关键基因越来越受到重视，本文综述了与奶牛乳脂肪和乳蛋白合成过程有关的7个重要候选基因，为后续应用于奶牛育种提供参考。

1 与乳脂乳蛋白性状有关的重要候选基因

1．1 甘油二酯酰基转移酶（diacylglycerol acyltransferase1,DGAT1）基因

DGAT1是一种完整的细胞膜酶，能够催化酰基化的辅酶A和二酰甘油合成甘油三酯，是控制甘油三脂合成的关键酶。牛的DGAT1基因长约8.6kb，有17个外显子和16个内含子，编码489个氨基酸，与人、鼠、猪的基因结构基本相同，其定位于牛14号染色体上。据Grisart等的报道，奶牛DGAT1基因第8外显子发生了一个由AA到GC的非保守双替换突变，其导致第232位的赖氨酸-丙氨酸突变（K232A）[1,2]，该突变可显著影响不同牛群的牛奶组成和产奶量[3～5]。王凯等发现，荷斯坦牛 DGAT1基因K232A突变对泌乳性能的影响主要是通过改变DGAT1蛋白的保守功能域，引起甘油二酯酰基转移酶的活性变化，从而影响DGAT1的蛋白表达水平[6]。

此外，DGAT1-K232A多态性与荷兰荷斯坦-弗里西亚牛、意大利布朗牛、荷斯坦杂交牛和德国荷斯坦牛的乳脂肪酸组成密切相关[7]。DGAT1基因敲除会显著降低BMECs中TG含量。Lu等的研究表明DGAT1在牛乳腺组织甘油三酯合成中具有重要作用，通过RNA干扰DGAT1基因表达可显著降低牛乳腺上皮细胞中甘油三酯的含量[8]，进一步证实了DGAT1在乳脂合成中的重要作用。

目前DGAT1-K232A位点为国际公认的奶牛产奶性状主效基因，其与牛奶品质密切相关，因此通过选留携带等位基因C/G的个体和淘汰携带等位基因A的个体，可显著改善后代奶牛群体的乳品质。

1．2 脂肪酸合成酶(Fatty acid synthase,FASN)基因

脂肪酸合成酶是一种多功能复合酶，催化细胞内脂肪酸的从头合成，是体内脂肪酸合成中的一个关键酶，在所有动物的脂质合成和代谢中起着关键作用，能够催化乙酰CoA和丙二酰CoA生成长链脂肪酸[9,10]。牛FASN基因长约2.0kb，有3个转录本， 定位于19号染色体。

李聪等在752头中国荷斯坦牛中对FASN基因进行研究，发现有9个SNP位点与脂肪酸性状相关，其中外显子39上一个SNP g.17924A>G导致苏氨酸（ACC）与丙氨酸（GCC）的替换。对中国荷斯坦牛乳脂肪酸GWAS的研究表明，FASN主要影响荷斯坦牛C10:0、C12:0、C14:0等中链饱和脂肪酸[11]。Morris等研究发现（g.763G>C）中的G>C替换改变潜在的Sp1转录因子结合位点，以及外显子34（g.16009A>G）中的A>G替换，是丙氨酸对苏氨酸的非保守替换，这两个SNPs与荷斯坦牛高、低乳脂肪含量显著相关[12]。Schennink 等对1 905头荷兰荷斯坦牛群研究发现有2个显著SNPs——FASN（g.16024G>A）和FASN（g.17924A>g），其中后者对乳脂率有显著影响（P<0.05）[13]。Laura等报道了牛FASN 5'侧翼区的一个SNP（g.763G>C），与奶牛的乳脂含量显著相关，SNP改变通过牛FASN启动子的体外活性和序列的Sp1/Sp3结合能力，从而影响乳脂含量[14]。综合以上研究，FASN基因是乳脂性状的重要候选基因。

1．3 果糖二磷酸酶2（fructose-bisphosphatase 2,FBP2）基因

FBP2基因编码糖异生调控酶，参与碳水化合物前体到糖原的合成，表达产物参与己糖、葡萄糖和单糖的代谢过程以及碳水化合物的生物合成与糖异生。

牛的FBP2基因长约4.3kb，有7个外显子和6个内含子，定位于奶牛8号染色体上。李茜等报道FBP2基因共发现11个SNPs，其中5'调控区7个，3'调控区4个，这些位点均与乳蛋白量性状达到显著或极显著关联，大部分位点的加性效应和等位基因替代效应显著[15]。Ibeagha采用RNA测序技术研究了添加5%亚麻籽油和5%红花油后奶牛乳腺转录组的变化，结果表明两种处理FBP2基因表达上调2倍以上，提示FBP2是乳脂性状的潜在候选基因[16]。

FBP2基因主要影响中国荷斯坦牛的乳蛋白性状，同时对产奶量和乳脂具有一定效应。

1．4 转录延伸因子 1D（eukaryotic translation elongation factor 1 delta，EEF1D ）基因

牛的EEF1D基因全长12kb，由8个外显子和7个内含子组成，定位于14号染色体上，mRNA全长1 163bp，共编码280个氨基酸。根据生物信息学分析该基因的潜在功能主要为：参与信号传导激活，翻译延长因子激活。

Jiang等对中国荷斯坦牛产奶性状全基因组进行关联分析，发现105个产奶性状显著关联SNPs[17]。Xie等通过组织表达谱发现，EEF1D基因在乳腺组织中表达量明显高于其他组织，初步确定为奶牛产奶性状的候选基因[18]。

张娟等对中国荷斯坦牛EEF1D与产奶性状的关联分析中检测到2个SNPs，即EEF1D-1和EEF1D-3 位点，均与305d产奶量、乳脂率和乳蛋白量达到显著或极显著关联，2个位点中GG型个体均显著高于其他基因型，通过筛选GG型个体可进行分子标记选择[19]。

1．5 β-酪蛋白（CSN2）基因

奶牛中β-酪蛋白变体主要有7种（A1、A2、A3、B、C、I和E），由多种类型的CSN基因编码，A2变异被认为是最古老的变异，编码A2 β-酪蛋白的基因被命名为CSN2基因。该基因全长约8.7kb，由8个外显子和7个内含子组成，定位于牛的6号染色体上。Fontanesi等对800头意大利荷斯坦公牛的研究表明，CSN2基因的3个SNPs（rs43703011、rs109299401和rs43703013 ）显著影响乳蛋白量及乳蛋白率[20]。Zhou等对614头中国荷斯坦牛的9个乳蛋白组成性状进行关联分析，发现CSN2基因对奶牛乳蛋白组成有着重要的影响[21]。

牛乳中可能含有两种β-酪蛋白：A1和A2型。其主要差别是由于一个碱基的突变（A→C）引起第67位氨基酸的变异，CAT编码组氨酸，CCT编码脯氨酸[22,23]。新西兰A2公司自2000年开始生产和销售A2品牌的乳制品，目前国内多家奶源基地筛选出了β-酪蛋白A2型牛群[24]。

1．6 K-酪蛋白（CSN3）基因

牛属动物的κ-酪蛋白基因CSN3对蛋白质合成和酪蛋白微胶粒的稳定起重要作用，在奶酪制作中具有重要意义，是凝乳酶的天然底物。

牛的CSN3基因全长约13kb，由5个外显子和4个内含子组成，定位于6号染色体上。共发现有11种变异体，最常见的两个遗传变异体是A和B。A的两位点分别为Thr和Asp，而B为Ile和Ala，相应的核苷酸替换分别为ACC→ATC 和GAT→GCT[25]。

Alim等用DNA混合测序法分析了507头中国荷斯坦牛k-酪蛋白基因多态性，共鉴定出6个SNPs，发现三个非同义SNPs（g.10888T>C、g.10924C>A和g.10944A>g）。在单倍型相关分析中，已鉴定的SNP与三个产量性状（乳、蛋白质和脂肪）和两个组成性状（脂肪和蛋白质百分比）之间存在显著的相关性。结果表明，CSN3是影响奶牛产奶性状的重要候选基因，所鉴定的多态性和单倍型可作为奶牛产奶性状的重要遗传标记[26]。

Fontanesi 等的研究表明，CSN3基因的1个SNP（g.87390573C＞T）显著影响乳蛋白率[20]。CSN3基因的表达有利于提高牛奶蛋白质产量，有利于保持牛奶蛋白质的稳定性[27]。

1．7 β-乳球蛋白（BLG）基因

β-乳球蛋白（beta-lactoglobulin）是牛奶乳清蛋白的主要成分，是由牛乳腺上皮细胞合成分泌的一种生物活性物质。编码β-乳球蛋白的基因被称为BLG基因。牛的BLG基因全长约4.7kb，由7个外显子和6个内含子组成，定位于11号染色体上，由162个氨基酸组成。该基因发现共有11种变构体，其中A和B是最主要的两种，不同变构体对牛奶乳组分、性质和产量均有不同的影响[28,29]。

据Fontanesi等报道，BLG基因的3个SNPs（rs41255679、rs110066299和rs109625649）对产奶量和乳蛋白量有显著效应。Tsiaras 等对278头荷斯坦牛两个泌乳期的参数进行了估计，结果表明，具有不同BLG位点的乳产量（AB>AA）、脂肪产量（BB和AB>AA）、脂肪含量（BB>AA和AB）、乳糖产量（AB>AA）和蛋白质产量存在显著差异[30]，AA基因型控制表达的乳球蛋白在乳清蛋白中的比率比BB基因型高[31]。

2 小结

目前，我国对牛奶的需求已经向“优质奶”方向转变，优质奶主要包括两方面内涵：首先，乳蛋白作为牛奶的主要营养成分，其含量直接决定了牛奶营养价值的高低，同时高乳蛋白率（量）对牛奶价格起直接决定作用。其次，高乳脂率（量）牛奶中乳脂含量，如果饱和脂肪酸含量较高的话，可能会降低牛奶的品质。因此，筛选高不饱和脂肪酸及高蛋白奶牛群体是我国今后奶牛育种的重要目标之一。

采用常规育种技术也能逐步实现高蛋白高不饱和脂肪酸群体的选择，但世代间隔长、效率低、进展慢；而通过挖掘鉴定影响奶牛乳成分性状的关键基因或致因突变，并通过候选基因分子标记筛选高品质群体将是行之有效的策略。