Science Advances再現力作，安諾助力山羊馴化基因起源研究

2020年5月20日，期刊Science Advances（IF=12.804）在線發表了西北農林科技大學姜雨教授團隊關於山羊馴化基因的最新研究成果。該研究通過對來自全世界各地的數百個樣本進行基因組分析比較，包括家山羊、野山羊、山羊化石及野羊化石，最終確定了現代山羊廣泛的強適應能力源於通過雜交獲得其他物種的MUC6基因，該基因與其他馴化基因一起，幫助山羊成為最早被成功馴化並廣泛傳播的家畜。安諾基因為本研究提供了全長轉錄組建庫測序服務，為山羊的馴化基因起源研究提供助力！

研究內容

山羊（Capra Hircus）是最早馴化的牲畜物種之一，表現出顯著的適應性和多功能性，並與人類的傳播密切相關。最近的研究已經確定了山羊馴化過程中的候選基因，包括與色素形成、異種代謝和產奶量相關的基因位點，但是涉及到馴化早期適應的關鍵基因的進化動態仍然不清楚。在本研究中，對分布在世界各地的家山羊群體，6個野山羊物種，以及之前發表的古代山羊基因組進行了全面的群體基因組分析，以研究山羊馴化過程中關鍵遺傳變異的選擇。

研究思路

研究結果

1. 家山羊的種群結構和來源

研究者對5隻古代山羊和101隻山羊的基因組進行了測序（覆蓋率為3-47X，平均為12X），連同已發表的參考基因組信息進行分析。全基因組系統發育樹分析表明，所有家山羊都與野山羊形成一個單系姐妹系，證實家山羊是野山羊祖先的後代（圖1b）。主成分分析（PCA）表明，採集於中東地區的3個野山羊種群具有與它們的地理起源相對應的結構和分群，處於馴化中心附近（圖1c）。

圖1 野山羊和家山羊的地理分布和遺傳親緣關係

2. 從野山羊到家山羊的基因流動

為了鑑定野山羊和家山羊之間的基因流動情況，研究者檢查野山羊和家山羊之間的全基因組混合模式，通過20 kb滑動窗口鑑定候選基因組導入區域，鑑定出112個基因組片段，在這些片段中觀察到了「西高加索羱羊」存在導入等位基因的明顯特徵。其中29號染色體上的一個導入區域具有幾乎固定的導入單倍型（頻率=95.7%）（圖2f）。該區域包含一個完整的蛋白編碼基因MUC6，它編碼一種胃腸分泌的粘蛋白，形成一層保護性的糖蛋白外殼，參與宿主對多種胃腸道病原體入侵的天然免疫反應。進一步分析證實該基因來自西高加索羱羊的野山羊種（最常見的馴化單倍型MUC6D與西高加索羱羊的單倍型非常相似，而與野山羊的常見單倍型MUC6B有很大差別）。

圖2 山羊馴化和擴散早期的基因流動

3. 馴化介導的免疫和神經基因選擇

在導入的基因中，有些基因可能在馴化過程中發揮了重要的作用。為了找到這些受到正向選擇的關鍵基因，進行了選擇性掃描分析：比較家山羊和野山羊群體，通過遺傳分化、核苷酸多樣性差異等分析，識別出包含403個蛋白質編碼基因的105個獨特區域（圖3a）。KEGG分析表明，14條顯著富集的途徑中有9條與免疫相關（圖3b）。Fst值在MUC6基因區域特別高，表明該位點受到強選擇。選擇和富集分析進一步定位了12個參與神經活性配體-受體相互作用的基因，其中15號染色體上的一個基因組區域受到很強的正選擇，該區域含有STIM1和RRM1兩個與神經功能相關的蛋白編碼基因。

圖3 家山羊具有選擇信號的基因組區域

MUC6基因區域是基因流動分析和選擇性掃描分析結果的唯一交集，所以後續研究重點關注MUC6基因的結構和功能。在羊和牛中，MUC6與胃腸道寄生蟲耐藥性有關。免疫組化結果表明，MUC6在山羊皺胃和十二指腸中特異表達（圖5a）。MUC6基因有一個高度可變的串聯重複序列區域（VNTRs），為了進一步區分MUC6D和MUC6B在轉錄水平的序列差異，研究人員利用三代PacBio Iso-Seq測序技術，對二者的轉錄本序列進行精細分析。通過分析發現，與MUC6B相比，MUC6D上第2,789位胺基酸之後存在一個82個胺基酸的缺失，涉及到3個VNTRs區（圖4a），這些VNTRs區域數目可能會影響MUC6的功能，進而影響胃腸道抗寄生蟲能力。Iso-Seq技術發揮了其在分析不同轉錄異構體方面的優勢。

圖4 MUC6的基因結構

攜帶MUC6D/MUC6D的山羊比其他兩種基因型的山羊表現出更低的腸道線蟲糞卵計數（圖5b）。全基因組關聯分析發現，在29號染色體上有一個包含MUC6位點的強關聯信號（圖5c）。這些結果說明家山羊中導入的MUC6D很可能是由於其對胃腸道病原體免疫反應中的優勢而被選擇。

圖5 MUC6與胃腸道線蟲耐藥性的關係

5. 馴化STIM1-RRM1和MUC6等位基因的起源和擴散

為了研究MUC6和STIM1-RRM1等位基因的起源和擴散，對整個近東地區古代基因組進行深入遺傳分析，發現兩隻可以追溯到約8,100年前的巴爾幹古代山羊攜帶STIM1-RRM1D，MUC6D最早出現在距今約7200年前的伊朗西南部。最早發現的具有STIM1-RRM1D或MUC6D的古代動物都攜帶線粒體單倍群A，在7500年前頻率很低。到大約6500年前，伴隨著以畜牧業為基礎的經濟在整個歐亞大陸的鞏固和擴散，STIM1-RRM1D和MUC6D的頻率在近東增加到約60%（圖6a），並在大約3,900年前傳播到中國（圖6b）。這兩個受到強選擇的基因位點的擴張與線粒體單倍組A的廣泛傳播同時進行。

圖6 馴化STIM1-RRM1和MUC6單倍型的出現和擴散與mtDNA單倍群A的同步傳播

文章小結

MUC6基因在山羊馴化歷程中發揮重要作用，研究推算出該基因的馴化型可能是通過與西高加索羱羊雜交，至少在7,200年前滲入到山羊基因組中。由於西高加索羱羊的MUC6會提高羊群的胃腸道抗寄生蟲能力，短短1,000年的時間，使該基因型在全世界家山羊中廣泛傳播，替換了家山羊基因，讓家山羊更適合在人類環境中存活。山羊馴化早期產生的主要變化是免疫和神經行為相關基因，而不是人們傳統認為的外貌和經濟性狀的改變，這為人類了解哺乳動物如何抵禦疾病和改變神經行為提供了寶貴經驗和財富。

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參考文獻

Zheng Z, Wang X, Li M, et al. The origin of domestication genes in goats[J]. Science Advances, 2020, 6:eaaz5216.