轉錄組測序技術在豬上的研究進展

所屬分類：農業論文閱讀次時間：2020-09-03 10:07

本文摘要：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

　　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

基因轉錄

　　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]。

　　生物學方向評職知識：基因學論文發表哪些sci期刊

　　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*