轉錄組測序技術在豬上的研究進展

　　摘 要：轉錄組 (Transcriptome) 是指特定細胞或組織中的全部轉錄產物 , 包括信使 RNA、核糖體 RNA、轉運 RNA 以 及非編碼 RNA。轉錄組測序技術的快速發展，為轉錄組的研究提供了可靠的平臺。轉錄組測序技術能夠全面分析某 一組織或細胞在不同物種、品種、發育階段以及不同的處理條件下，全部轉錄產物的類別、結構以及表達水平的變化， 揭示特定生物學過程的分子調控機制。近年來，研究人員廣泛利用該技術篩選豬優良經濟性狀的基因，為功能基因的 鑒定研究提供重要信息。文章綜述了在不同試驗設計下，基于轉錄組測序技術比較不同表型、不同處理條件、不同時 期及不同組織間的轉錄組，篩選差異表達基因的研究，以期為今后豬育種的研究提供有用的信息。

　　關鍵詞：豬;轉錄組;高通量測序;試驗設計

　　轉錄組廣義上是指在某一生 理或試驗條件下，由單個細胞、 組織或個體等所產生的所有轉錄產 物的集合，包括mRNA、rRNA、 tRNA及非編碼RNA;狹義上是指 所有mRNA的集合。在一般情況 下，如果不特別強調，轉錄組就是 指mRNA。轉錄組代表了樣本(細胞、組織等)整體的基因表達水 平，因此也被稱為“表達譜”，通 常采用基因表達譜芯片和RNA-seq 技術來研究。

　　隨著測序技術的發 展，測序所需的時間和成本大大降 低，其在畜牧行業得到了大量應用 及研究，在豬上也不例外。科研工 作者根據自己的研究目的，針對不同表型、不同處理條件、不同時期 及不同組織間的差異，進行轉錄組 測序，進而篩選差異表達基因，進 行功能基因組的研究。

　　1 不同表型

　　針對極端表型個體的關鍵器 官或組織進行轉錄組測序，是挖掘 影響此表型關鍵基因的重要方法之 一。脂肪沉積在養豬生產中發揮著 重要作用，研究者針對不同脂肪沉 積能力的豬做了研究。Chen等針對 具有極端生長表型的豬的腹脂、肝 臟和背最長肌進行了轉錄組測序， 分別發現2 796、1 551和835個差異表達基因，并認為胰島素樣生長因 子2(IGF2)、細胞色素P450家族 成員1A1(CYP1A1)、肌肌酸激 酶(CKM)和羧酸酯酶1(CES1) 等基因在脂肪發育過程中發揮了重 大的作用[1]。

　　Xing等檢測了具有極 端背膘厚度的松遼黑豬的脂肪組織 和肝臟組織的轉錄組，分別檢測出 188和92個差異表達基因，通過功 能分析發現脂肪組織是影響脂肪沉 積的主要器官，脂肪酸的從頭合成 通路是影響脂肪沉積的主要原因， 并在長白豬上有了相同的發現[2]。 Zambonell等檢測了具有極端背膘 厚度的意大利長白豬的背膘組織， 發現了86個差異表達基因，主要 參與了炎癥反應等過程[3]。

　　Lim等 比較了極端高低組(n=3)肌內脂 肪含量的巴克夏豬的背最長肌肌 肉組織，檢測到134個差異表達基 因，主要參與了脂肪酸的從頭合成 和肌肉再生等過程[4]。公豬膻味是 一個影響肉質的不良性狀，主要 是由于雄烯酮和糞臭素在脂肪中 的積累而導致的。

　　Gunawan等檢測 了具有極端差異背膘雄烯酮含量 的豬肝臟和睪丸的轉錄組，分別 發現了448和46個差異表達基因， 其中免疫應答基因6(IRG6)、抗 病基因1(MX1)、干擾素誘導基 因2(IFIT2)、細胞色素P450家 族成員7A1(CYP7A1)、含黃素 單氧化酶5(FMO5)和角蛋白18 (KRT18)可能是影響公豬膻味的 候選基因[5]。生長速度和剩余采食 量是豬重要的經濟性狀，并且互相 影響。Jing等比較了具有極端剩余 采食量的長白公豬(10頭)，檢測 出99個差異表達基因，其中脂肪 酸結合蛋白3(FABP3)、鈣調磷 酸酶調節蛋白(RCAN)、過氧化 物酶體增殖物激活受體γ輔激活 因子1A(PGC-1A)、己糖激酶2 (HK2)、AMP激活的蛋白激酶 r-2調節亞單位(PRKAG2)等基因 參與了能量代謝和脂肪酸的跨膜運 輸[6]。

　　Liu等比較了35日齡左右的高低組剩余采食量的仔豬(n=15)， 鑒定出1 972個差異表達基因，這些 基因參與了小分子生物物質的合成 等生物學過程[7]。 豬肉品質是影響消費者選擇 豬肉的重要因素。Li等比較了不同 滴水損失的背最長肌的轉錄組， 鑒定出150個差異表達基因，其中 三合蛋白(TRDN)和肌肉生長抑 制素(MSTN)可能是滴水損失的 主要候選基因[8]。Gi等檢測了不同 產仔數母豬的胎盤組織，發現了 588個差異表達基因，其中白介素 -6(IL-6)和內皮脂肪酶(LIPG) 在胚胎發育營養供給上發揮著重要 的作用[9]。

　　Zhang等比較了不同產 仔數母豬的卵巢轉錄組，檢測出 1 243個差異表達基因，其中部分 基因參與了類固醇生物合成和卵巢 類固醇生成[10]。Zhao等比較了具有 極端飼料轉化率的豬的轉錄組，發 現232個差異表達基因，其中部分 關鍵基因參與了維生素A代謝、脂 肪酸代謝和膽固醇類激素代謝等通 路，并認為維生素A在豬肝臟中的 代謝，對于調控豬飼料效率具有重 要作用[11]。

　　2 不同品種

　　在豬長時間的選擇和進化過程 中，不同品種在生理特點上產生了 很大的差異。通過比較不同品種間 的轉錄組，得到差異表達基因，為 揭示豬生理特點的分子功能解析提 供了基礎。不同豬品種間肌肉的發 育形態、肉質品質、肌內脂肪含量 等方面有較大的差異，科研工作者 針對不同豬種間的差異做了較多的 研究。Li等比較了皖南花豬和大白 豬的背最長肌的轉錄組，篩選到的 差異表達基因部分參與了糖類分解 和脂肪酸的代謝的過程[12]。Sun等 比較了長白豬和藍塘豬的背最長肌 轉錄組，篩選到547差異表達基因， 主要富集在肌肉生成等過程中[13]。

　　Yang等對沙子嶺豬和大白豬的背最 長肌組織進行了轉錄組測序，篩選 到488個差異表達基因，其中部分參與了脂肪酸代謝、肌肉發育等過 程[14]。Chen等比較了萊蕪豬和大白 豬背最長肌轉錄組，發現了178個 差異表達基因，其中部分基因參與 脂肪代謝，可能影響了肌內脂肪含 量的沉積[15]。

　　Hou等比較了瘦肉型 豬—長白豬、脂肪型豬—通城豬和 小型豬—五指山豬的背最長肌轉錄 組，發現部分差異表達基因參與了 脂肪代謝、肌肉發育等過程[16]。張東杰等比較了民豬和大白豬的背最 長肌轉錄組，發現了1 098個差異表 達基因，其中部分基因富集在過氧 化物酶體增殖物激活受體(PPAR) 信號通路等通路，為研究影響肉質 的遺傳因素提供了依據[17]。楊建敏 等比較了槐豬和杜洛克豬的背最長 肌轉錄組，檢測到953個差異表達基 因，其中部分基因參與了調節脂類 代謝的通路[18]。

　　Ropkamoik等比較了 皮特蘭豬和波蘭長白豬的半膜肌肉 組織，檢測到35個差異表達基因， 其中部分基因參與了肌肉收縮等過 程[19]。Zhao等比較了通城豬和大白 豬11個發育時期的轉錄組數據，篩 選出大量差異表達基因，為研究肌 肉發育和肉質提供了分子基礎[20]。 Li等比較了二花臉豬和大白豬背最 長肌的轉錄組，篩選到808個差異 表達基因，為解釋種間差異奠定了 基礎[21]。Xing等比較了松遼黑豬和 長白豬背膘組織的轉錄組，發現差 異表達基因參與了脂肪酸合成、 胰島素抵抗和絲裂原活化蛋白激 酶(MAPK)信號通路等過程[22]。

　　Codina等比較了大白豬和伊比利亞 豬睪丸組織的轉錄組，檢測到大量 差異表達基因，并顯著地富集在配 子生產和脂類代謝等通路上[23]。Hu 等比較了大蒲蓮豬和長白豬的全血 液轉錄組測序結果，檢測到83個差 異表達基因，其中部分富集在免疫 應答和脂質代謝等通路上[24]。

　　3 不同處理條件

　　通過全面分析某一組織在不 同處理條件下轉錄組表達水平的 變化，能夠揭示特定生物學過程的分子調控機制。在這方面的研 究中，通過飼喂不同營養水平的日 糧來研究轉錄組表達水平是重要組 成部分。Ogłuszka等比較了飼喂不 同不飽和脂肪酸(ω-6和ω-3)長 白豬的臀肌和肝臟的轉錄組，分別 篩選到749個和3 565個差異表達基 因，其中部分基因富集在調控脂 肪酸代謝、能量代謝和免疫應答 等信號通路上，為脂肪酸在豬生 長和發育中的作用打下基礎[25, 26]。 wiątkiewicz等比較了飼喂不同脂 肪酸含量日糧的豬肝臟轉錄組， 發現載脂蛋白A4(APOA4)、長 鏈脂酰CoA合成酶5(ACSL5)、 細胞色素 P450 家族成員 2C49 (CYP2C49)、細胞色素P450家族 成員2B22(CYP2B22)和谷胱甘肽 S-轉移酶ω-1(GSTO1)等基因在 不同處理組中顯著差異表達，揭示 它們可能存在共調控作用[27]。

　　Xia 等比較了飼喂高脂高糖日糧的巴馬 香豬和對照組的肝臟組織轉錄組， 篩選到822個差異表達基因，其中 部分基因參與了免疫應答、MAPK 和PPAR等信號通路，為研究高能 量飲食對豬肥胖和脂肪肝的分子機 制打下基礎[28]。李建平等比較了不 同脂肪來源(紅花籽油和椰子油) 日糧及對照組之間的豬肝臟轉錄組 數據，篩選到多個差異表達基因， 為其作為飼料的功能研究奠定了基 礎[29]。Li等比較了二元(長白×大 白)豬和萊蕪豬感染豬圓環病毒2型 35 d前后的腎臟組織的轉錄組，從 萊蕪豬中篩選出169個差異表達基 因，而在長白豬中發現205個差異表 達基因，這些基因主要富集在補體 系統、外源物質代謝等通路上[30]。

　　4 不同時期

　　豬在不同的發育時期有著不 同的生物學特點。通過比較不同時 期豬某些特定組織的轉錄組來鑒定 基因的功能是研究重要手段之一。 Song等比較了長白豬未成熟和成 熟的睪丸組織的轉錄組，篩選到 10 095個差異表達基因，其中有242個差異表達基因參與了生精的過 程，為了解豬的生精過程和性成熟 的分子機理打下基礎[31]。

　　Lee等比 較了5 d和180 d豬睪丸組織的轉錄 組，篩選到607個差異表達基因，發 現基質金屬蛋白酶9(MMP9)、基 質金屬蛋白酶1(MMP1)、谷胱甘 肽過氧化酶1(GPX1)、趨化因子 受體1(CCR1)、胰島素樣生長因 子結合蛋白3(IGFBP3)、白細胞 分化抗原14(CD14)等基因可作為 豬生精干細胞的生物標記[32]。Jiang 等比較了脂肪細胞和前脂肪細胞在 發育0 d、2 d和4 d時的轉錄組，分 別在兩細胞中篩選到985個和1 469 個差異表達基因，其中576個基因 是在兩種細胞中共同差異表達的， 并認為PPAR信號通路在兩種脂肪細 胞發育過程中起著重要作用[33]。

　　Li 等比較了脂肪型榮昌豬不同時期的 脂肪組織的轉錄組，篩選到差異表 達基因4 403個，為研究脂肪組織的 發育提供了基礎[34]。Shan等比較了 巴馬香豬和藏豬不同發育時期腦下 垂體的轉錄組，檢測到大量差異表 達基因，其中生長激素(GH)、 催乳素(PRL)、黃體生成素β亞 基(LHB)和促卵泡激素β亞基 (FSHB)等基因可能在發育過程 中起著重要的作用[35]。Lin等比較 了母豬發情后12 d、18 d和25 d的 子宮內膜組織的轉錄組，分別發現 1 557、8 951和2 345個差異表達基 因，為研究豬的子宮內膜功能打下 基礎[36]。

　　5 不同組織

　　不同組織在生物體內發揮著不 同的作用，通過比較其轉錄組的差 異，是挖掘基因功能的重要手段。 Wang等比較了豬皮下脂肪組織和 內臟脂肪組織的轉錄組，發現差異 表達基因主要富集在免疫應答等通 路，揭示了不同脂肪組織在豬體內 發揮著不同功能[37]。

　　Mach比較了 不同的豬小腸組織(十二指腸、空 腸)的轉錄組，篩選到大量的差異 表達基因，主要富集在基本的生物學過程中，為揭示豬腸道的精細功 能奠定基礎[38]。Li等比較了豬肱二 頭肌和比目魚肌的轉錄組，鑒定到 52個差異表達基因，主要富集在與 肉色性狀相關的通路上，揭示了部 分調控肉色的分子機制[39]。Gan等 比較了榮昌豬的肝臟組織和腦組織 的轉錄組，鑒定出大量差異表達基 因，為更確切地了解豬肝臟和腦的 分子功能打下基礎[40]。

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　　6 展望

　　綜上所述，轉錄組測序技術廣 泛地研究了豬的生長發育、脂肪代 謝、肌肉生長、繁殖生理、免疫應 答等各個生理過程，已經成為鑒定 mRNA表達豐度和鑒定新轉錄本的 重要技術手段。同時結合如小的非 編碼單鏈RNA(miRNA)組、長鏈 非編碼RNA(lncRNA)組、全基因 甲基化組、全蛋白組等組學信息， 為鑒定基因的生物學功能和調控機 制提供了新的思路。但是大部分的 轉錄組測序研究只是構建了差異表 達基因參與的通路，其分子調控和 遺傳機制還有待進一步研究。這也 是未來在轉錄組測序基礎上的研究 重點。

　　參考文獻

　　[1] CHEN C, AI H, REN J, et al.A global view of porcine transcriptome in three tissues from a fullsib pair with extreme phenotypes in growth and fat deposition by paired-end RNA sequencing [J]. BMC genomics, 2011. 12(1): 448.

　　[2] Xing K, ZHU F, ZHAI L, et al. Integration of Transcriptome and Whole Genomic Resequencing Data to Identify Key Genes Affecting Swine Fat Deposition [J]. Plos One, 2015. 10(4): e0122396.

　　[ 3 ] Z A M B O N E L L I P , G A F F O E , ZAPPATERRA M, et al. Transcriptional profiling of subcutaneous adipose tissue in Italian Large White pigs divergent for backfat thickness [J]. Animal genetics, 2016. 47(3): 306-323.

　　作者：黃全奎1 ，周松峰1 ，邢 凱2 ，白云華3*

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