本文摘要：摘要：犬作為人類最早馴化的家養動物，在人類發展史和現代生活中扮演著非常重要的角色，如伴侶、看護、導盲、軍警用犬等。人工選擇過程使得家犬產生了極大的表型多樣性，其中體型性狀是犬最顯著的表型性狀之一，屬高遺傳力性狀。本文綜述了犬體型性狀相關基
摘要：犬作為人類最早馴化的家養動物，在人類發展史和現代生活中扮演著非常重要的角色，如伴侶、看護、導盲、軍警用犬等。人工選擇過程使得家犬產生了極大的表型多樣性，其中體型性狀是犬最顯著的表型性狀之一，屬高遺傳力性狀。本文綜述了犬體型性狀相關基因IGF1、IGF1R、GHR1、GHR2、SMAD2、STC2、HMGA2、IGSF1、ACSL4及IRS4的研究進展，為未來工作犬體型遺傳改良育種提供重要的靶點和依據，為進一步闡明人類及其他家養動物在體型上的遺傳變異提供參考。
關鍵詞：犬;體型;候選基因;遺傳變異
生物研究人員評職知識：基因工程論文發表期刊和文獻
文獻參考一：基因工程技術及其應用進展分析
在醫藥方面，人們將基因工程技術應用于各種疫苗和藥物研發、基因診斷和臨床醫療，并取得了較好的臨床成效。此外，基因技術還在改良農作物、治理農藥污染和重金屬污染方面有著積極的作用。未來的基因工程技術發展需要努力提高其安全性和有效性，相信隨著科學技術的不斷發展，基因工程技術能夠成為人類做出更大的貢獻。
家犬是人類馴化歷史中獨一無二的杰作。許多世紀以來，沒有其他哺乳動物能像犬一樣，與人類產生如此緊密的聯系，更沒有如此顯著的表型差異。當今所有家犬都是距今約15000年前由灰狼馴化而來[1]。犬被馴化之后，人類根據自己的意愿和使用目的加大了對犬的選育強度，由此形成了如今形態各異的現代犬種。目前，世界上有超過400多個不同品種的犬[2-4]，除了金魚，犬是與其野生祖先表型差距最大的馴化動物。然而，現代家犬品種形成的時間并不長，大概是200~300年前，這也說明了人工選擇的顯著效果[3]。現今每一個家犬品種都有著嚴苛的品種標準以維持其固定的表型，這些標準將持續地對某一品種犬施加選擇壓力，這種壓力降低了品種內的表型多樣性和遺傳異質性，但增加了品種間的巨大差異性。體型是犬最顯著的表型性狀，家犬是所有陸地脊椎動物中體型差異最大的動物，犬的體型差異之大，堪稱各物種之最[5]。最小品種犬與最大品種犬的骨骼大小相差大概40倍。吉娃娃的平均體重只有1.8kg，而獒犬體重高達90kg，幾乎是最小的吉娃娃的50倍[4-6]。
據“吉尼斯世界紀錄”記載，世界上最高的犬是一條名叫“宙斯”的大丹犬，其身高為111.8cm，體重達70.3kg，直立時身高高達2.25m。最小的狗是一只名叫“米莉”的吉娃娃，體重453g，身高只有9.65cm，那么，同樣是灰狼的后代，在相對短暫的時間內，犬是如何演化出這么多體型迥異的品種?本文就犬體型性狀相關基因IGF1、IGF1R、GHR1、GHR2、SMAD2、STC2、HMGA2、IGSF1、ACSL4及IRS4的研究進展進行綜述。
1犬體型大小的遺傳研究
針對犬體型大小的第一個研究是從葡萄牙水犬(PortugueseWaterDog，PWD)開始的[7]，這是因為在美國葡萄牙水犬是一個相對較新的品種，可以追蹤24代，一直到當初的31個建群者。而且葡萄牙水犬的品種標準對其體型大小的界定允許有2倍的差異，因此導致該品種內的個體體型差異較大，加上具備詳細的系譜記錄，使它成為體型性狀研究中最好的試驗對象。Chase等[7-8]對500只葡萄牙水犬的X射線骨骼圖進行分析，制定了92個骨骼參數，利用全基因組微衛星掃描數據，結合葡萄牙水犬種群骨骼變異的主成分分析(PrincipalComponentAnalysis，PCA)，發現15號染色體(CFA15)上一個15Mb的區域有2個數量性狀位點(QTL)(FH2017和FH2295)與葡萄牙水犬的體型大小密切相關。
2007年，Sutter等[5]對決定家犬體型大小的基因位點的確定成為尋找性狀決定位點的經典工作之一。該研究仍是從葡萄牙水犬開始，并把研究對象擴大到143個品種、3241只犬，首先對15號染色體15Mb區域的SNP進行重測序，進一步將該區域鎖定到4Mb以內，然后研究者對463只葡萄牙水犬在這個區域的116個SNPs和體型大小進行關聯分析，發現在胰島素樣生長因子1(Insulin-likeGrowthFactor1，IGF1)基因附近出現了峰值，而IGF1也是影響人和小鼠個體大小的重要候選基因。然而由于葡萄牙水犬品種內個體在IGF1區域內高度連鎖，確定具體的位點非常困難，因此研究者對來自于526只犬的116個SNPs進行關聯性分析，其中有23種小型犬(<9kg)，20種大型犬(>30kg)。
在此，研究者發現在IGF1區域，雜合率降低，大型犬和小型犬出現了明顯的遺傳分化，而小型犬的平均雜合率只有大型犬的25%，因此進一步確認了此區域是大、小體型的犬分化的主要關聯區域，進一步數據分析將區域鎖定到了20個SNP，最終確定了5號SNP(CFA15，44，228，468)是最佳候選對象，小型犬中的堿基是A，而大型犬中的堿基是G。進一步對143種品種犬中等位基因A的頻率進行分析，發現A的頻率和品種的體型強烈負相關，以此確定了5號SNP是家犬體型大小的因果突變。因此，IGF1基因上單個SNP的突變決定了犬的小體型。
隨后一個很有開創性的工作是Jones等[9]率先使用各犬種的品種標準來定義表型與基因標記關聯分析。因為現代犬種是由嚴格的品種標準所定義的，品種標準描述了某個品種中個體的理想體型特征。對于體型這樣的強選擇性狀的遺傳研究，品種標準可以用作個體遺傳決定表型的代表，由此開啟了在犬類形態學的遺傳研究中使用品種標準進行分析的方法，而不是對每只犬進行個體測量，極大地簡化了相關工作。
后來，隨著“CanMapproject”的開展，又相繼確認了多個與體型大小相關的重要基因座。2012年，Hoopes等[4]專門針對平均體高在25cm以下的915只小型犬進行研究，在3號染色體(CFA3)上鑒定了一個新的犬體型相關基因座——胰島素樣生長因子1受體(IGF1R)基因。2013年，Rimbault等[10]通過精細定位發現了對體型有顯著影響的另5個基因，分別是生長激素受體(GrowthHormoneReceptor，GHR)GHR1和GHR2基因、高遷移率族蛋白A2(HighMobilityGroupAT-hook2，HMGA2)、斯鈣素2(Stanniocalcin2，STC2)、SMAD家族成員2(SMADfamilymember2，SMAD2);此外，46%~52.5%犬種的體型差異可以通過包括IGF1和IGF1R在內的6個候選基因上的7個基因座來解釋。在標準體重小于41kg的品種中，這6個基因的突變可解釋64.3%的犬體型變小的原因。2017年，Plassais等[11]
使用Illumina公司CanineHD芯片(170000SNPs)對大型犬種與小型犬種進行了一項全基因組關聯分析(Genome-WideAssociationStudies，GWAS)，發現大體型犬的骨骼大小和體重與胰島素受體底物4(InsulinReceptorSubstrate，IRS4)、長鏈酯酰輔酶A合成酶家族成員4(Acyl-CoASynthetaseLong-chainfamilymember4，ACSL4)和免疫球蛋白超家族成員1(Immunoglobulinsuperfamilymember1，IGSF1)基因的變異密切相關。
伴隨著技術的不斷發展，體型大小相關基因的發現及研究結果不斷完善。隨著全基因組高密度SNP芯片技術的發展，SNP分型的規模越來越大，從60968發展到了170000。另外，研究手段和分析方法不斷豐富，包括精確定位(Fine-Mapping)、全基因組測序(WholeGenomeSequencing，WGS)及全基因組關聯分析(GWAS)等方法的綜合運用。再者就是研究材料不斷豐富，從1個犬種(葡萄牙水犬，PWD)330頭犬到88個犬種855頭犬，甚至是148個犬種2801頭犬。
2犬體型大小相關基因的研究
目前，研究發現10個候選基因的變異決定了大多數犬體型的大小。前3個基因的遺傳變異決定了大體型犬的體高和體重。后7個基因大概可以解釋≤41kg的中小型犬的60%體型差異。
2.1IGF1和IGF1R基因
IGF1是介導生長激素作用的一種單鏈多肽，也被稱作促生長因子(即SomatomedinC)，是胰島素樣生長因子家族(IGFs)的重要成員，主要產生于肝臟細胞，通過內分泌、旁分泌或自分泌途徑作用于靶器官，主要與IGF1R結合從而刺激下游多條信號轉導途徑，將信號轉導至細胞核內，激活并釋放轉導因子，進而對哺乳動物的細胞增殖和分化及凋亡、機體的生長發育、組織修復、營養代謝等方面起著重要的調控作用[14]。
IGF1和IGF1R都是動物生長軸IGF1通路上的重要因子，具有顯著的促生長和分化作用，在胚胎發育和個體生長中起著重要作用，并且該通路與生長激素(GrowthHormone，GH)通路之間存在復雜的相互關系。許多研究都發現IGF1通路在控制犬體型大小方面起著重要作用。Sutter等[5]鑒別出IGF1是決定犬體型變小的關鍵基因，且具有IGF1基因變異的小體型犬的血清中IGF1激素水平也顯著低于大體型犬。
后來，IGF1R基因也被證明是影響犬體型大小的重要基因[4]。當IGF1和IGF1R基因突變時，會抑制胰島素信號通路功能的發揮，從而影響個體大小。在小鼠和人上，都已證實IGF-1和IGF1R基因變異會導致生長發育遲緩及體型、重量的減小[15-17]。目前，畜禽IGF1的研究主要集中在IGF1基因的克隆、結構與功能、多態性及其與動物生產性能和經濟性狀的關系等方面。
2.2GHR1和GHR2基因
生長激素(GH)是由腦垂體前葉分泌的一種蛋白激素，在動物生長發育及代謝中有重要作用。GH首先是與靶細胞膜表面的GHR結合，啟動細胞內信號傳導，促進IGF1的表達，再通過血液循環到達生物體局部組織，促進細胞的新陳代謝過程[18]。GHR屬于細胞分裂素/血細胞生成素受體超家族(Cytokine/HematopoietinReceptorSuperfamily)，是一種特異、高效的膜蛋白，其在細胞內的表達量對GH發揮作用有重要影響，從而影響生物體的生長發育，如性連鎖矮小雞的生長遲緩癥狀就是因為GHR基因突變導致動物組織中GHR數量顯著減少甚至缺乏所致[19-20]。
GHR基因是第一個被證明與生長有關的基因。人類中，GHR基因突變導致的GHR結構與功能異常都會抑制GH發揮正常生理作用，最終造成生長發育不良、遲緩和身材矮小、侏儒癥等[21]。在犬上，GHR1和GHR2基因的變異都會對犬體型大小造成影響[10]。有研究表明，豬體內GHR的失活也會導致成年豬體重和體尺的減少[22]。
2.3HMGA2基因
HMGA2屬于高遷移率蛋白A家族中的一員，是一種非組蛋白染色體蛋白，本身缺乏轉錄活性，但能通過與染色質結合而改變其結構，或者直接與相關蛋白結合發生作用，繼而調節其他基因的轉錄，從而影響胚胎形成、組織發育、生長調節及腫瘤發生等過程[23]。小鼠上，HMGA2的1個等位基因的失活會造成小鼠體重減少20%，2個等位基因都失活則會使小鼠體重減少60%[24-25]。相反，HMGA2過表達導致小鼠出現巨人癥和脂肪瘤[26]。HMGA2蛋白在小鼠胚胎發育和細胞分化增殖中也發揮著重要作用，在胚胎期以及不成熟組織中大量表達，而在分化成熟的組織中幾乎不表達[27]。
在人類中，HMGA2基因的變異會導致個體身材矮小[28]。在豬上，HMGA2基因敲除豬出現侏儒癥表型，特征是出生體重過輕、生長遲緩及體重減少[29]。此外，HMGA2基因缺失影響了豬胎兒在母體子宮內接受的資源，若是子宮內同時存在正常與HMGA2-/+、HMGA2-/-等個體，則HMGA2-/-個體無法在懷孕期間存活，且HMGA2-/-與子宮絨毛接觸不良，顯示子宮跟胎盤間的連結較差;若子宮內只存有HMGA2-/-，這些胎兒就能存活并正常發育[29]。另外，目前已知HMGA2基因表達水平會影響多種動物的體型，包括犬[9-10,30]、兔[31]、馬[32]等多種動物。最近的研究還表明，HMGA2基因變異能影響鳥喙的大小[33]。
2.4STC2基因
STC2屬于STC家族中的一員，是哺乳動物器官及組織中廣泛表達的一種分泌性的糖蛋白激素，參與調節多種生理及病理過程[34-35]。STC2通過與妊娠相關血漿蛋白-A(PAPP-A)共價結合從而抑制PAPP-A的蛋白水解活性，進而阻止胰島素樣生長因子蛋白4(IGFBP4)的裂解，由此抑制胰島素樣生長因子(IGFs)的活性而阻礙哺乳動物的正常生長[36]。在小鼠上的研究表明STC2能有效調節小鼠出生后的生長。STC2基因過表達的小鼠在體型減小了45%[37]，而STC2基因敲除小鼠比同窩出生的野生型小鼠要大15%[38]。在犬上，Rimbault等[10]研究發現STC2基因的變異會導致犬體型的變小。而關于人類身高的研究表明，STC2基因的2種不同變異會對人類身高產生影響[39]。
2.5SMAD2基因
SMADs是一類新的細胞內信號轉導蛋白家族，能夠轉導來自轉化生長因子β(TransformingGrowthFactor-β，TGF-β)的信號因子，其家族成員與轉化生長因子TGF-β共同調節細胞的增殖、分化、凋亡及間質的合成，從而在生物體各器官組織的生長發育過程中起著極其重要的作用。在成人中，SMADs家族成員還負責組織修復和免疫調節。SMAD2基因是SMADs蛋白家族的成員之一，屬于受體激活型SMADs，是轉導TGF-β信號的重要胞漿內信號級聯分子，根據轉化生長因子TGF-β超家族成員的信號，在細胞膜與細胞核之間來回移動，將TGF-β信號直接由細胞膜轉導入細胞核內，從而調節特定靶蛋白的轉錄[40]。SMAD2功能失活或表達過低可能影響TGF-β的信號轉導并參與腫瘤的形成。
2.6IRS4基因
Plassais等[11]首次發現IRS4基因與犬的大體型密切相關，但在人上并沒有發現身高與IRS4基因有任何相關性。IRS4屬于胰島素受體底物(TheInsulinReceptorSubstrate，IRS)分子家族最新成員，該基因編碼胰島素受體底物-4，于1997年由Lavan等[41]成功克隆，是胰島素胞漿內信號傳導的關鍵分子之一[42]，在下丘腦組織中高度表達[43]。IRS4分子是胰島素受體的直接作用底物，被磷酸化后，促發胰島素生理信號在胞漿內的逐級傳遞過程，激活葡萄糖轉運蛋白4(GLUT4)等下游效應分子[44]。另外，它參與GH/IGF-1途徑并與多種生長因子受體(如IGF1R)相互作用，增強IGF1的表達從而刺激細胞的生長[45]。IRS4基因也受雌激素調節[46]，這可以部分地解釋雌激素和身體脂肪分布之間建立的聯系[47]。
Fantin等[43]建立了IRS4基因敲除小鼠模型(IRS4-/-)，發現IRS4敲除小鼠在生長、繁殖和糖代謝方面均出現輕度缺陷，說明IRS4是參與機體生長與發育及糖代謝調節的信號分子。在人類研究中，IRS4基因多與Ⅱ型糖尿病、代謝紊亂、精神分裂癥、肥胖等疾病相聯系[48]。還有研究表明IRS4會耦合到瘦素受體上，而瘦素和胰島素都能夠通過作用于下丘腦神經元調節生物體內的能量消耗和葡萄糖穩態，從而參與控制食物攝入，長期控制肥胖，促性腺激素的分泌以及繁殖性能的調控[49]。在豬上，IRS4基因的多態性可能引起脂肪沉積表型變異[50]。
2.7IGSF1基因
IGSF1基因編碼質膜糖蛋白，參與甲狀腺激素的生物合成，并參與甲狀腺激素途徑[51]。據報道，在人類中，IGSF1基因的突變與X連鎖的IGSF1缺乏綜合征有關，IGSF1基因上的突變使其編碼蛋白無法移動到細胞表面發揮正常功能，從而導致甲狀腺功能減退，因此也與人類肥胖有關[51]。在小鼠上的研究也表明，缺乏IGSF1的雄性小鼠顯示垂體和血清促甲狀腺激素(TSH)濃度降低，垂體促甲狀腺激素釋放激素(TRH)受體表達降低，體重增加[51]。在犬上，Plassais等[11]研究發現IGSF1與犬種的體高密切相關，在大型犬種中鑒定出2種突變(單密碼子缺失和錯義突變)都位于IGSF1蛋白的高度保守的免疫球蛋白樣結構域。有意思的是，IGSF1基因還與犬的頭型長短有關[12,52]。而在人上，患者身體上的某些缺陷包括面部的異常(如瞼裂狹小、小頭、唇腭裂等)和生殖器畸形都可能與IGSF1基因的短片段重復有關[53]。
2.8ACSL4基因
ACSLs是脂肪酸代謝中至關重要的酶，在哺乳動物中已經鑒定出5個該家族成員(ACSL1、3、4、5、6)。ACSL4定位于細胞內膜，特異性結合長鏈多不飽和脂肪酸，參與脂肪酸的合成和分解代謝過程。研究表明，增加肝臟中ACSL4的表達可促進脂肪酸的攝取[54]。Plassais等[11]發現，ACSL4基因與大體型犬中發達的肌肉性狀高度相關，但與矮胖的小體型犬健壯結實的肌肉性狀無關，這表明在大體型犬中發現的ACSL4基因變異會大大增加犬的體型。在豬上，ACSL4控制豬肌肉和背部脂肪厚度，ACSL4的突變與背膘厚相關[55-56]。
對犬體型相關的候選基因的QTL的遺傳變異研究表明，重要候選基因的組合中突變型等位基因越多，犬的體型就越小。然而，其中某些基因在犬體型減小上似乎比其他基因有更強的效果。有研究表明，IGF1R、GHR2和HMGA2被認為具有更強的體型減小效應，具有較弱體型減小效應的是IGF1、GHR1和STC2[57]。
3結語與展望
犬體型性狀是一個復雜性狀，受到多個基因的影響。目前，研究者已發現10個基因的遺傳變異對犬的體型大小有顯著影響，這些遺傳標記的確定為犬體型大小的預測提供了可能，通過遺傳標記預測犬體型大小將大大有利于犬的健康，例如根據體型制定相應合理的飲食和運動計劃。此外，預測犬體型的大小將有助于選育具有合適體型及與體型相關性狀的理想個體。
雖然上述遺傳標記可以解釋大多數犬體型大小的變異，但是具體的影響機制尚未明確，仍需要進一步探索。隨著上述候選基因在各種動物中的遺傳變異與生長發育表型關系的深入挖掘和研究，這些分子標記在動物生長發育中的作用將越來越清晰，為理解和闡明人類及其他家養動物在體型上的遺傳變異提供科學線索。另外，隨著檢測手段的升級、犬種及樣本量的擴大，可能還會檢測到與犬體型大小相關的其他候選基因和相關分子標記，并會在動物體型大小的遺傳機制上有更多有價值的發現。
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