FecB基因对绵羊产羔性状的调控机制研究进展

邓玉婷,孙睿哲,贺 娜,张军霞

(青海大学农牧学院,青海 西宁 810016)

我国绵羊养殖虽已逐步实现规模化和产业化,但养殖的品种多数繁殖力低,严重制约着我国绵羊产业的进一步发展。绵羊是我国重要的农业经济动物之一,其繁殖性能是衡量其经济性状的重要指标之一,产羔数在经济效益统计中的权重可达74%～96%,产双羔可以使经济效益提高60%[1]。因此,从增加产羔数入手,提升绵羊的繁殖效率是节约饲料成本、提高生产效益和促进畜牧业快速发展的一个可靠途径。绵羊产羔数是一个低遗传力(0.1左右)的数量性状[2],受到遗传和环境等多种因素的共同影响。其中遗传背景是最为重要的影响因素,绵羊品种不同,繁殖力也有非常显著的差异[3]。为提高绵羊的繁殖能力,除了加强饲养管理、预防疾病之外,还常常采用同期发情、人工授精(artificial insemination,AI)和超数排卵(multiply ovulation and embryo transfer,MOET)等方法[4]。除人工干涉之外,研究人员发现部分绵羊品种中存在多胎基因,对绵羊繁殖性能有显著的增强作用[4]。迄今为止,国内外研究报道与母羊多胎性状相关的有16个基因、20个突变[5,6]。其中,骨形态发生蛋白受体-IB中的FecB(Fecundity booroola,FecB)基因突变是研究最早、最为广泛的一个基因。本文将从FecB基因的发现和结构、对产羔性状的影响,以及对绵羊产羔性状的调控机制研究等方面进行综述,以期为国内外多胎基因研究和育种繁殖实践提供理论参考。

1 FecB基因的发现和结构

1.1FecB基因的发现

20世纪80年代,Piper和Bindon对高繁殖力的布鲁拉美利奴羊(Booroola Merino sheep)的产羔数进行了统计学分析,发现在布鲁拉美利奴羊群体中存在一个能够调控排卵数的基因[7]。随后,Davis等[8]发现布鲁拉美利奴羊的常染色体上某个基因发生突变后,母羊排卵数会增加,并且突变拷贝数与排卵数呈正相关:每增加一个拷贝突变,母羊增加1.65个排卵数[9],产羔数增加0.8～1.2只[7]。因当时具体基因未知,绵羊(Ovis aries)和山羊(Capra hircas)遗传学命名委员会暂时将其命名为Fecundity Booroola(FecB)基因[10]。1994年,Montgomery团队通过微卫星标记和遗传连锁的方法将FecB的位置定位在绵羊6号常染色体上[11]。直到2001年,Wilson、Mulsant和Souza三个团队同时将FecB突变定位在BMPR-IB基因上,并且发现该突变是基因编码区发生的A746G突变,可导致蛋白质序列中第249位的谷氨酰胺被置换为精氨酸(Q249R)[12-14],至此人们明确了FecB突变的位置和化学特征。2009年Davis等[15]证明布鲁拉美利奴羊的FecB突变源自印度加罗尔羊群体。同年,Walkden等[16]证实了加罗尔羊和湖羊是全球范围内仅有的两个FecB突变几乎被固定的绵羊品种。2022年,Chong等[17]发现蒙古国绵羊和中国蒙古支系绵羊FecB等位基因形成时间一致,结合历史事件及环境气候变化数据,推测FecB突变在中国境内起源于中国蒙古绵羊种群,并通过两条途径在绵羊种群间传播:(1)蒙古绵羊随着北方游牧民族的活动从蒙古高原迁移到中国南方;(2)蒙古羊在大约2 000～3 000年前迁徙到印度次大陆,并与起源于中东的绵羊种群混合,最终形成了以加罗尔绵羊为代表的绵羊种群。这样便形成了世界上仅有的两个FecB突变等位基因频率被固定的绵羊种群(湖羊和加罗尔羊)。随后,部分加罗尔绵羊被引入澳大利亚,并与当地绵羊种群杂交,形成了澳洲美利奴绵羊。

FecB基因主要包含3种基因型,即纯合型(BB)、杂合型(B+)以及野生型(++),其基因型与母羊卵泡直径相关,卵泡液中部分氨基酸代谢物与排卵数显著相关[18]。FecB基因对母羊卵泡发育有加性作用,能够增加排卵数,从而提高母羊产羔数[19]。经研究发现,在澳大利亚布鲁拉美利奴羊群体中,与野生型相比杂合型母羊排卵次数增加2.8个(+85%),纯合型母羊排卵次数增加4.6～9.7个(+(204%～439%))[8-10,20]。同时,FecB基因还能导致绵羊初情期提前,携带BB基因型的绵羊和携带B+基因型的绵羊的产仔数显著高于携带++基因型的绵羊[21]。研究证实了绵羊高繁殖力属单基因遗传,通常认为这一遗传突变是由点突变、重复或缺失引起的[22]。

1.2FecB基因的结构

FecB突变位于绵羊6号染色体上的BMPR-IB基因第8外显子,且位于蛋白激酶功能结构域上。FecB突变导致BMPR-IB基因编码序列的第746位碱基发生错义突变(A746G),使第249位的氨基酸从谷氨酰胺变为精氨酸(Q249R),从不带电的中性氨基酸变为带负电的碱性氨基酸,从而导致BMPR-IB蛋白质空间结构发生改变,突变区域从向外开口变为向内偏[14-16],且该区域对应包含BMPR-IB的人类染色体4q22～23区间,并遵循孟德尔遗传[23]。FecB具有单核苷酸多态性(SNP),位于BMPR-IB基因。其突变位点位于746的编码区,其中A→G发生变化,导致第249个氨基酸从谷氨酰胺变为精氨酸(Q249R)。Q249R位于GS之间结构域(富含丝氨酸和甘氨酸的结构域)和BMPR-IB的L45环,这是一个高度保守的BMPR-IB的细胞内激酶信号区,证明249R是FecB等位基因,即FecB基因实际上是BMPR-IB基因[14]。

FecB基因最明显的生理效应是增加卵巢中的卵泡数和排卵数,但纯合子(BB)母羊和杂合子(B+)母羊的成熟卵泡和排出的卵泡直径要比非携带者(++)母羊的卵泡直径小。尽管FecB基因可以增加排卵数,但其作用机制尚不完全清楚,研究发现,FecB基因携带者和非携带者在表型上完全一致,发情周期长短一致[22]。FecB基因突变改变了BMPR-1B基因的功能,增加了对卵巢体细胞骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein, BMP)配体反应的敏感性[24],从而进一步调节有腔卵泡BMP/Smad信号通路的激活状态,并降低卵母细胞和卵巢中BMP15基因的mRNA水平,其结果是影响卵泡颗粒细胞的分化和卵泡发育,促进排卵[25,26]。

1993年,Montgomery等[27]首先发现FecB基因与微卫星标记OarAE101和OarHH55紧密连锁,距离分别为13 cm和20 cm;OarAE101和OarHH55又与定位在人染色体HSA4q11～q12上的分泌型磷酸蛋白1基因(ecreted phosphoprotein 1,SPP1)的一个RFLP标记连锁。该研究组采用连锁分析法,对Booroola羊半同胞家系和17个全同胞家系进行了研究,发现血小板生长因子受体α基因(platelet-derived growth factor receptor-alpha gene,PDGFRA)与αS1酪蛋白基因(alpha s1-casein gene,CSN1S1)及微卫星标记BM143和OarHH55连锁,遗传距离分别为12 cm、29 cm和33 cm。通过绵羊与仓鼠两者的体细胞杂交,分别将PDGFRA、SPP1和表皮生长因子基因(epidermal growth factor gene,EGF),以及微卫星标记OarAE101和BM143定位于6号染色体上,且CSN2被定位于羊6号染色体6q23～q31[28]。Lord等[29]在用微卫星OarAE101和BM1329作标记来研究FecB基因时,发现FecB基因存在于OarAE101位点的97bp等位基因和BM1329位点的162bp等位基因上。因此,FecB基因被进一步定位于6号染色体的BM1329和OarAE101之间10 cm连锁群中,但因为这些微卫星标记的图谱位置是未知的,故不能指定出FecB基因在染色体上的确切位置。Montgomory等[30]进一步研究发现,FecB基因与EGF连锁,距离为26 cm,而EGF定位在人染色体4q25上,这是迈向FecB突变位置克隆的重要一步[27,31]。BMPR-IB基因编码一个转移生长因子β亚基(TGF-β)受体家族成员,存在于许多细胞类型中,是调节生长和分化的多功能蛋白。这些家族成员在哺乳动物、两栖动物和昆虫的胚胎发育中扮演重要角色,与定位于卵母细胞上的生长因子和GDF9一起影响着繁殖性状。BMPR-IB可以在卵巢中表达,原位杂交将BMPR-IB特异性定位于卵母细胞,其mRNA编码的BMPⅡ型受体分布于整个卵巢[32]。Souza等[12]从人类基因组图谱资源和羊基因连锁及染色体定位数据库中筛选出编码BMPR-IB的基因作为FecB基因的候选基因。

2 FecB基因对绵羊产羔性状的影响

FecB基因在对母羊产羔数的影响表现为部分显性遗传效应,只在雌性中表达。由于FecB基因明显提高了母羊的排卵数,因此产羔数量也随之提高。有研究发现,含有一个FecB基因B等位基因的母羊(B+)排卵数增多1.50～1.65个,产羔数增加0.9～1.2个;含有两个FecB基因B等位基因的母羊(BB)排卵数增多2.7～3.0个,产羔数增加1.1～1.7个,含有FecB基因的母羊平均每胎产羔超过1只[33]。Zhou等[34]利用Taq Man探针法检验FecB突变,并统计分析了不同基因型群体的产羔率,发现FecB突变显著影响绵羊的繁殖性能。郭立宏[35]对东北细毛羊的FecB多胎基因型进行检测发现,BB和B+两种基因型的母羊产羔数分别为每胎2.00只和1.97只;++型母羊产羔数为每胎1.00只,说明FecB基因能够控制东北细毛羊的多羔性状。张也等[36]对湖羊×湖羊、白头杜泊羊×湖羊、白头杜泊羊×F1代(白头杜泊羊×湖羊)杂交后代羊羔的FecB基因进行检测发现,随着杂交代数增加,杜湖杂交后代的B等位基因频率逐渐降低,产羔率也随之降低,且与基因型相关。马丽娜等[37]为进一步有效提高滩羊的产羔率,加快其高繁殖品系的建立,利用TaqMan探针对373只滩羊FecB基因进行SNP分型研究,得到三种不同基因型滩羊的平均产羔数,分别为XX(87%)2.01只、XY(12%)2.44只和YY(1%)3.81只,以此说明FecB基因可作为滩羊多胎选育的分子标记。李君等[38]研究发现,FecB基因在黄淮杜泊羊群体中存在BB、B+、++等3种基因型,其中B+型(杂合型)是群体中的优势基因型,BB和B+基因型产羔数极显著高于++基因型。李丹等[39]研究发现,滩湖杂交后代G0、G1、G2代中存在BB、B+、++3种基因型。随着横交固定体系的持续开展,B+基因型频率依次升高,++基因型频率依次降低,而BB基因型在理论上与B+型的规律应一致,保持协同增长趋势,但G2代的BB型低于G1代次,其原因可能是此次试验抽取的G2群体数量太少,样本没有代表性,从而影响了整体试验结果,影响了BB基因型在G2代群体中的分布频率。

陈晓勇等[40]的研究结果表明,FecB基因能够促进排卵数的增长,增加产羔数,但在一些品种中对杂交后代断奶成活数会产生负面影响;FecB基因对受精和胚胎发育有影响,且FecB基因也会影响初生重和成活率。FecB基因除了具有能够增加排卵数的作用之外,也是生殖生理研究中常用的模型。McNatty等[41]研究发现,卵母细胞在控制排卵方面起着重要的作用。FecB基因产生的突变在羊的排卵过程中发生作用的主要原因,可能是FecB基因具有调节哺乳动物物种的繁殖性能的功能。关凤等[42]研究发现,FecB基因对出生后的早期身体发育具有积极作用。BB/B+羔羊的心脏周长和胸部宽度显著大于++羔羊(P<0.05)。

3 FecB基因对绵羊产羔性状的调控机制研究

绵羊产羔数是一个复杂的数量性状,遗传力为0.03～0.10,受遗传、表观修饰和激素等的调控[43]。目前已筛选到部分影响绵羊排卵数和产羔数的主效基因,对其突变位点、遗传方式和作用机理研究得比较透彻,利用该突变基因提高绵羊群体繁殖性能已取得显著的效果[44]。

绵羊卵泡的生长发育除了受生殖激素调控之外,转化生长因子(transforming growthfactor-β,TGF-β)、骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein,BMPs)以及生长分化因子等,通过自分泌和旁分泌在卵泡的形成和发育过程中也发挥着重要作用。BMPR三种基因型(BMPR-1A、BMPR-1B及BMPR-2)作为TGF-β超家族信号分子的受体,参与TGF-β/BMP和TGF-β/SMAD信号通路,调控哺乳动物的生殖发育[45,46]。

绵羊卵泡的生长发育受到中枢神经与卵巢之间复杂内分泌以及卵巢自身各种旁分泌的调节,是以顺序的方式进行的,并产生分层的卵泡生长模式,即每个生殖周期在不同阶段的有腔卵泡存在差异,这种差异即便是超数排卵也无法改变[47-49]。这种卵泡生长选择模式是雌性生殖功能的关键,若这一过程发生改变,将可能导致无卵泡或多个卵泡排出,出现不孕或多胎[50]。

FecB基因对卵巢的作用是提高卵巢对促卵泡素(follicle-stimulating hormone,FSH)和促黄体素(luteinizing hormone,LH)的敏感性,能够参与并调控颗粒细胞(granular cells,GCs)的分化和卵泡的发育成熟,这是FecB基因引起母羊排卵率增加的关键。与野生型母羊相比,携带FecB基因的母羊,其大量窦状卵泡会提前成熟,从而引起排卵数增加,而且其排出的卵母细胞直径较小(BB型

2001年,有研究发现,绵羊多胎主效基因FecB能够提高湖羊产羔率的原因是其能够提高羊的排卵数[54]。该基因编码一个丝氨酸/苏氨酸激酶,其功能为骨形态发生蛋白(BMP)的受体。编码的蛋白质是I型受体,并在细胞膜上形成两种II型和两种I型受体的复合物。该复合物向下游发出信号以激活Smad转录调节因子。该信号在骨骼和骨骼发育中很重要。剪接的选择性导致多个转录物变体。来自澳大利亚美利奴绵羊的Booroola品系的母羊的特点是排卵率高且产羔数高。分析原因,可能是由于FecB主要基因B等位基因的作用所致,该基因编码转化生长因子-β(TGF-beta)受体家族的成员,BMPR-IB中的(Q249R)编码序列与Booroola母羊的多产表型完全相同。在体外,来自FecB(BB)母羊的卵巢颗粒细胞比来自FecB(++)母羊的颗粒细胞对GDF5和BMP4的类固醇生成的抑制作用大于自然BMPR-IB的配体的抑制作用。在FecB(BB)型母羊中,BMPR-IB会部分失活,导致颗粒细胞的高级分化和排卵卵泡的成熟[14]。

FecB作为BMPR-1B基因上一个单一的常染色体突变,会使TGF-β/BMP信号通路受到抑制,导致绵羊排卵次数增加[53]。BMP15和GDF9(growth diffrentiation factor 9,GDF9)均属于TGF-β超家族的成员,在卵母细胞中表达,通过旁分泌对周围体细胞包括颗粒细胞、卵丘细胞以及卵泡膜细胞产生影响[55-57]。BMP15和GDF9的突变体均能提高绵羊的繁殖性能,但是当发生纯合突变时反而会导致母羊不孕不育[15,58]。BMP15和GDF9都通过与I型和Ⅱ型受体的丝氨酸/苏氨酸激酶区域结合,组装成异源四聚体的复合受体并发出信号,虽然具有相同的Ⅱ型受体,即BMPR-2,但两者的Ⅰ型受体有差异,分别为ALK-6/BMPR-1B以及ALK-5/TGF-β RI或ACVR-1B/ALK-4[59-61]。BMP15对BMPR-1B有较高的亲和力,因此,BMPR-1B能够作为BMPR15的有效受体参与信号转导过程,调节胚胎发育[62]。

4 小结

绵羊繁殖力的提高能够大幅提高养殖户及养殖企业的经济效益,增加农民收入,加快我国畜牧业发展。因此,将FecB基因导入繁殖力低的绵羊群体,是有效提高绵羊繁殖力的途径之一。目前,对于多胎基因引起绵羊多胎性状的机理还没有一个完全清晰的认识,在FecB基因对绵羊后代生长发育产生影响的遗传效应机制研究上也没有一个统一的认知。关于多胎后代羔羊的体重和体型普遍小于单胎后代羔羊这一问题还需做进一步的深入研究,若是因为基因连锁导致后代羔羊生长发育受到影响,是否能够通过一些技术,例如基因编辑技术可以对相关基因进行修饰,来打破这一连锁效应,消除不利影响。FecB突变已经被确定与绵羊繁殖有着密切的关系,对FecB突变分子机制的解析将有助于人们探索提高排卵数的新途径,提高更多畜种的繁殖性能。

综上所述,FecB基因总体上会对绵羊繁殖性能产生良性影响,能够增加绵羊的排卵数和产羔数,有利于绵羊多胎品系的建立,扩大养殖规模,提高牧民的经济收入。

近年来,不断有研究者对绵羊包括FecB基因在内的多胎主效基因进行研究探索,但仍有部分生理机制在研究中未涉及,期望本文对进一步深入开展绵羊繁殖性能研究以及做好育种等相关工作有所帮助。