作者:李晓春 记者 唐琳 来源: 发布时间:2019-9-5 14:52:22
牛羊为啥会长角?

 
2019年6月21日,国际权威学术期刊《科学》在线刊发了西北农林科技大学动物科技学院教授姜雨研究团队与西北工业大学等9家国内外单位的联合研究成果——“反刍动物角发生发育和鹿茸快速再生的遗传基础”。
 
这项研究从遗传学角度首次提出反刍动物的角具有相同的细胞起源——头部神经脊干细胞,并指出其发育过程利用了基本相同的基因调控通路,从而为证明反刍动物角具有单一的进化起源和发生发育机制提供了证据。
 
一个有趣科学问题的提出
 
反刍动物是超过200种特殊的陆生草食动物的统称,其包含了常见的家畜如牛、羊等,是世界上最成功的哺乳动物类群之一,分布极广且数量庞大。
 
自2015年起,西北工业大学、西北农林科技大学、丹麦哥本哈根大学等单位就合作启动了“反刍动物基因组计划”,试图通过该计划阐述反刍动物的适应性进化,帮助人们深刻理解反刍动物在众多草食动物中制胜的秘诀。
 
由于没有尖牙和利爪,所以头上长角对于草食动物而言是一个很大的竞争优势,其既可以成为它们面对捕猎者的自卫工具,也是同类间争夺配偶和领地的主要武器。
 
绝大多数头上长角的动物都属于反刍动物的有角下目,有角下目的动物也是现存唯一一类头颅上有骨质附属物的哺乳动物,而这个附属物就是大家熟知的骨质角(在此应与简单由皮肤衍生的犀牛角区别开来)。
 
有角下目不同动物类群有各自形态独特的角。如长颈鹿科的角由仅被皮肤和毛发覆盖的骨突组成。牛科的角有一个骨质的核心,但被一个角质鞘所覆盖,其终生生长,不分叉也不能再生。鹿科动物的角则会周期性脱落,每年再生一次,在生长阶段时被称为鹿茸,它的生发组织在鹿茸上方,所以会分叉生长;生长停止后,鹿茸会钙化为鹿角,也没有角鞘。还有部分有角下目的动物不长角,比如麝和獐子。
 
那么牛角、羊角和鹿角的发育生长是否由相同的基因通路控制?骨质角是来自一次起源还是多次起源?这些既是悬而未决的历史难题,也是有趣的科学问题。
 
作为反刍动物种间种内竞争的工具,角不利于畜牧生产管理。因此在畜牧生产实践中,为了方便管理,饲养者会对新生小牛和小羊进行人工去角。通常的做法是用烙铁在角发生的位置破坏角基质,但这样不仅浪费大量的人力、物力,也给小牛、小羊等带来极大痛苦,不利于动物福利。因此,培育无角牛羊便成为育种工作者的目标。
 
2016年夏天,姜雨团队利用“反刍动物基因组计划”组装出来的反刍动物基因组,对角这个反刍动物特有的新器官产生的遗传学基础开始了系统性研究,以期能够解答上述问题,同时希望能够反映动物器官起源的普适性原理,解析控制角生长发育的基因,为选育无角牛羊品种做好基础性工作。
 
一个问题套着一个问题
 
在先前无角牛羊研究的基础上,姜雨团队通过比较不同类型的反刍动物基因组和多达270个转录组,发现羊角和鹿茸具有相似的基因表达模式,其特异高表达的基因主要募集于在骨、皮肤、脑和睾丸组织表达的基因。
 
研究团队发现,这些角组织特异高表达基因,连同一些快速进化基因都参与了神经脊细胞迁移通路。于是,研究人员从遗传学角度首次提出反刍动物的角具有相同的细胞起源——头部神经脊干细胞,从而为证明反刍动物角具有单一的进化起源提供了遗传学证据。
 
那么,麝和獐子为什么没有角?通过构建反刍动物全基因组数据的高可信度系统发育树,我们可以明确看出麝科和獐亚科独立丢失了它们的角。通过比较麝和獐子与其他反刍动物的基因组,姜雨团队探究了两个谱系中由于提前成熟的终止子和移码框突变导致的289假基因,发现RXFP2是趋同假基因中唯一一个无角基因。更有趣的是,在RXFP2基因上的突变也是造成无角绵羊品种产生的原因。总体上说,这些结果表明,RXFP2的假基因化极有可能是麝科和獐亚科发生趋同的第二次头饰丢失的潜在机制。
 
那么鹿角为什么能再生?作为哺乳动物中唯一能够完全再生的器官,鹿角为再生生物学提供了一个独特的模型。鹿茸再生是一种基于干细胞的过程,姜雨团队通过研究证明了鹿茸干细胞可能来源于头部神经嵴干细胞,它具有快速增殖和分化为软骨和神经细胞的潜力,同时发现神经生长因子(NGFR)基因在鹿茸组织中强烈且特异表达。这一发现与神经生长因子促进鹿角神经生长的发现一致,证实神经过程与鹿角年度再生密切相关。
 
另一方面,鹿角也具有极快的生长速度。例如,马鹿鹿茸的平均生长速度为1.7厘米/天,重量可达30公斤。由于极快的细胞增殖,这些鹿茸每年从春季到夏季的再生速度甚至超过了癌组织的生长,从而为人们提供了骨癌的研究模型。
 
本研究还发现,多个原癌基因通路在鹿角组织被激活并发生遗传改变,可能在调控鹿茸快速再生过程中发挥了重要作用。同时,几个重要的抑癌基因也发生了鹿科特异的遗传改变,其可能强化了抑癌作用。
 
因此,进一步的功能研究将在证明快速但受控的细胞生长的潜在机制,以及探索鹿作为器官再生模型和癌症模型方面具有重要的科学意义,为癌症治疗和预防提供新的思路和方法。
 
此次能够代表西北农林科技大学在《科学》发文,为“双一流”建设添砖加瓦,姜雨发自内心地感到喜悦。但对于成绩的取得,姜雨显得十分谦虚。
 
“一是学校建设的高性能计算平台为相关研究提供了计算资源,推进项目快速进行;二是得益于创新性提出角起源的细胞基础和鹿茸快速再生可作为癌症研究模型的新颖的研究思路;三是得益于国内外10家研究单位的通力合作。”姜雨对《科学新闻》表示。
 
当今生物学研究已经发展为大科学研究,需要大量经费和人力投入。姜雨口中的10家研究单位,除了西北农林科技大学外,还包括西北工业大学、365体育投注:农业科学院、哥本哈根大学、365体育投注:昆明动物研究所、四川养麝研究所、石河子大学、新疆畜牧科学院、美国Recombinetics公司以及深圳华大基因研究院。正是得益于这些国内外单位的通力合作,牛、羊、鹿的长角之谜才最终得以揭开。■
 
《科学新闻》 (科学新闻2019年8月刊 科学传播)
发E-mail给:      
| 打印 | 评论 |