科學家揭示牛、羊、鹿長角的秘密

  ● 為通過基因編輯手段生產無角牛羊提供了關鍵靶基因

  ● 為癌癥治療和預防提供新的思路和方法

  本報通訊員 李曉春 張晴 記者 張梅

  牛、羊、鹿為什么有角?牛羊的角與鹿的角從遺傳發育上有何異同?這些研究有什么重要意義?

  6月22日,國際學術期刊《科學》雜志在線刊發了西北農林科技大學動物科技學院姜雨教授研究團隊與西北工業大學等9家國內外單位合作的研究論文《反芻動物角發生發育和鹿茸快速再生的遺傳基礎》。這篇論文從遺傳學角度首次提出反芻動物的角具有相同的細胞起源——頭部神經脊干細胞,其發育過程利用了基本相同的基因調控通路,為反芻動物角具有單一的進化起源和發生發育機制提供了證據。

  牛、羊、鹿都屬于反芻動物的有角下目,是現存唯一一類頭顱上有骨質附屬物的哺乳動物。這個附屬物就是大家熟知的角。有角下目的不同動物類群會有各自獨特形態的角,如長頸鹿科的角由僅被皮膚和毛發覆蓋的骨突組成;??频慕且灿幸粋€骨質的核心,但被一個角質鞘所覆蓋,它是終生生長的,不分叉也不能再生;鹿科動物的角則周期性脫落,每年再生一次,在生長階段被稱為鹿茸,它的生發組織在鹿茸上方,所以會分叉生長。生長停止后,鹿茸會鈣化為鹿角,也沒有角鞘。當然,部分有角下目的動物并不長角,比如麝和獐子。

  盡管這些不同類型的角都具有各自特征,但它們也都具有一個共同特征——位于顱骨前部,并擁有被表皮覆蓋的骨核。有關角的進化起源的研究是人們認識這些動物的起源、演化及進一步科學改良、利用的關鍵。因此,科學家一直在求索,希望研究清楚這些動物的來龍去脈。

  這一研究在育種領域取得一些進展。食草動物大多沒有尖牙利爪,角既是它們面對捕獵者的自衛工具,也是同類間爭奪配偶和領地的主要工具,但角的存在非常不利于畜牧生產管理,并有極大的安全隱患。因此,育種工作者投入大量的精力選育無角的牛羊品種。美國Recombinetics育種公司利用基因編輯技術,培育出了不會長角的黑白花奶牛,從而使小牛出生后無須經歷被烙去牛角的痛苦過程。

  但是,用于山羊和綿羊基因編輯育種的無角突變至今還沒有被確證。那么牛角、羊角和鹿角的發育生長是否由相同的基因通路控制?骨質角是來自一次起源還是多次起源?這一直是懸而未決的科學問題。

  西北農林科技大學聯合西北工業大學、中國農業科學院、丹麥哥本哈根大學、中科院昆明動物研究所、四川養麝研究所、石河子大學、新疆畜牧科學院、深圳華大基因研究院和美國Recombinetics公司等9家單位,通過比較不同類型的反芻動物基因組和多達270個轉錄組,發現羊角和鹿茸具有相似的基因表達模式。

  科研團隊發現,其特異高表達的基因主要來自在骨、皮膚、腦和睪丸組織表達的基因。這些角組織特異高表達基因,連同一些快速進化基因都參與了神經脊細胞遷移通路。這些研究從遺傳學角度首次提出反芻動物的角具有相同的細胞起源——頭部神經脊干細胞,為反芻動物角具有單一的進化起源提供了遺傳學證據,也為無角牛、羊的育種提供了理論基礎。這些研究成果為通過基因編輯手段生產無角牛羊提供了關鍵靶基因。

  鹿角具有極快的再生速度,每年春季到夏季,其細胞分裂增殖速度甚至超過了癌組織的生長速度(如馬鹿的角每天生長約1.7厘米)。但是,長期統計數據顯示,鹿科物種反而具有較低的癌癥發生率。本研究發現,多個原癌基因通路在鹿角組織被激活并發生遺傳改變,可能在調控鹿茸快速再生過程中發揮重要作用,同時幾個重要的抑癌基因也發生了鹿科特異的遺傳改變,其可能強化了抑癌作用。

  “因此,進一步的功能研究將在證明快速但受控的細胞生長的潛在機制,以及探索鹿作為器官再生模型和癌癥模型方面具有重要的科學意義,從而為癌癥治療和預防提供新的思路和方法?!眻F隊科研人員介紹。

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