高时间分辨率转录组解析丝羽乌骨鸡胚胎期胸肌黑色素沉积奥秘

丝羽乌骨鸡骨骼肌黑色素异常沉积现象引人关注。为探究其胚胎期黑色素沉积机制，研究人员测定胸肌黑色素含量，进行转录组分析。结果划分出黑色素沉积阶段，确定关键基因和转录因子。该研究为乌骨鸡育种提供参考，助力深入理解黑色素沉积调控机制。

　　在奇妙的动物世界里，丝羽乌骨鸡凭借其雪白羽毛、黑色皮肤、肌肉和骨骼的独特外貌脱颖而出。黑色素作为广泛分布于动物体内的一种物质，在丝羽乌骨鸡的肌肉中却出现了异常沉积现象。现有研究主要聚焦于出生后不同毛色乌骨鸡的对比，或是胚胎期黑骨与非黑骨鸡的差异，但对于鸡胚胎发育过程中骨骼肌黑色素沉积的动态变化、生物学过程以及调控机制，科学界仍缺乏全面深入的了解。而丝羽乌骨鸡肌肉中的黑色素含量在出生后会持续下降，所以研究胚胎期黑色素沉积的调控机制，对于提高其肌肉黑色素含量至关重要。

为了揭开这一神秘面纱，中国农业科学院的研究人员勇挑重担，开展了一项极具价值的研究。他们通过高时间分辨率转录组分析技术，对丝羽乌骨鸡胚胎期胸肌黑色素沉积过程进行了系统研究。研究结果意义重大，不仅揭示了黑色素沉积的关键阶段，还明确了各个阶段的生物学过程以及发挥重要作用的功能基因，为培育高肌肉黑色素含量的丝羽乌骨鸡提供了宝贵的理论依据。该研究成果发表在《BMC Genomics》杂志上。

研究人员在此次研究中主要运用了以下关键技术方法：首先，利用高效液相色谱（HPLC）技术精确测量丝羽乌骨鸡胚胎 13 个时间点胸肌中的黑色素含量；其次，通过转录组分析，构建高时间分辨率的转录组图谱，鉴定不同阶段特异性表达的基因以及差异表达基因（DEGs）和转录因子（TFs）。研究中使用的样本来自中国农业科学院实验基地的丝羽乌骨鸡胚胎及成年鸡。

下面来详细看看研究结果。

1. 黑色素沉积模式：通过 HPLC 测定黑色素含量，结合苏木精 - 伊红（HE）和 Fontana - Masson（FM）染色观察，研究人员发现，胚胎 8 天（E08）至 E10 时，胸肌中没有黑色素；E11 至 E16 出现微量黑色素；E17 至 E21 则有大量黑色素沉积。根据这些变化，将胸肌黑色素沉积过程划分为五个阶段：E08 至 E10、E11 至 E14、E15 至 E16、E17 至 E18、E19 至 E21。在 E08 至 E09，胸肌中有大量未融合的成肌细胞，此时无黑色素颗粒；E10 时成肌细胞开始分化；E11 至 E14，大量成肌细胞融合成初级多核肌管，周围出现零星黑色素颗粒；E15 至 E16，肌管中的肌原纤维增多，细胞核向细胞周边移动形成次级肌管，黑色素颗粒在肌周膜和血管周围积累；E17 至 E19，细胞核完全移至细胞周边，融合增强形成肌肉纤维，黑色素颗粒分布增多；E21 时，肌原纤维充满细胞，细胞核被推至边缘，肌肉纤维成熟变粗，黑色素含量达到最高。
2. 阶段特异性基因的鉴定：基于所有转录本的主成分分析（PCA）显示，发育阶段是区分样本的主要因素。研究人员鉴定出五个阶段特异性表达的基因，不同阶段分别有数量不等的基因上调和下调。这些基因被分为六个具有不同表达趋势的簇，对各簇基因启动子进行基序富集分析发现，某些转录因子（TFs）可能在胚胎胸肌发育中发挥关键作用。例如，簇 1 中的基因在 E08 至 E10 表达水平最高，显著富集于胚胎模式形成和软骨细胞分化相关过程，其启动子富含在发育模式形成和软骨细胞增殖分化中起重要作用的 TFs 基序；簇 2 中的基因在 E11 至 E14 高表达，显著富集于离子运输过程；簇 3 中的基因在 E15 至 E16 高表达，与肌肉结构发育和化学突触传递相关；簇 4 中的基因在 E17 至 E18 高表达，参与肌肉系统过程和肌肉收缩；簇 5 中的基因在 E19 表达最高，与防御反应和活性氧代谢过程有关；簇 6 中的基因在 E21 表达最高，与三羧酸循环和糖酵解过程相关12。
3. 黑色素沉积相关基因和通路：研究人员进一步筛选出丝羽乌骨鸡和文昌鸡之间的阶段特异性 DEGs，并进行基因本体（GO）富集分析。结果显示，E09 时差异表达的基因显著富集于间充质细胞增殖的正调控、含胶原的细胞外基质、血管收缩、神经嵴细胞迁移等过程；E13 时的差异基因与 ATP 酶偶联的跨膜转运体活性、突触后神经递质受体扩散捕获、内皮细胞趋化等相关；E17 时的差异基因主要富集于黑素体膜、黑色素生物合成过程、黑素体组织等；E21 时的差异基因则与线粒体呼吸链复合物 I 组装、有氧呼吸等有关34。
4. 关键 DEGs 和 TFs 的鉴定：从阶段特异性 DEGs 中，研究人员筛选出 19 个与黑色素相关的关键基因。对这些基因启动子进行基序富集分析，检测到 16 个 TFs。这些 TFs 的表达与目标 DEGs 呈现阶段特异性一致，表明它们在黑色素沉积过程中可能发挥重要作用。例如，TFAP2A 和 TFAP2B 在 E08 和 E09 阶段特异性表达，是促进黑素 oblast 分化的关键 TFs，对 EDN3、EDNRB2 和 KIT 有正向调节作用；MITF 在 E17 至 E21 阶段特异性表达，在黑素 ocyte 发育中起重要作用，正向调节多个参与黑色素合成和黑素体组装的基因56。
5. 阶段特异性 DEGs 和 TFs 的功能及影响：研究发现，E08 至 E10 阶段特异性表达的 DEGs 在神经嵴细胞迁移和黑素 ocyte 干细胞分化中起关键作用；E17 至 E21 阶段特异性表达的 DEGs 主要参与黑素体组装和黑色素生物合成；E21 阶段特异性表达的 DEGs 有助于黑色素生物合成。检测成年丝羽乌骨鸡胸肌中黑色素含量以及相关 DEGs 和 TFs 的表达水平后发现，E08 至 E10 阶段的三个 DEGs 和一个 TF、E17 至 E21 阶段的 10 个 DEGs 和一个 TF 与最终胸肌黑色素含量显著相关，这表明黑素 ocyte 分化、黑素体组装和黑色素生物合成过程对最终黑色素含量都至关重要78。

综合研究结论和讨论部分内容可知，该研究通过高时间分辨率转录组图谱，系统地揭示了丝羽乌骨鸡胚胎期胸肌黑色素沉积的生物学过程和调控机制。准确划分出的五个黑色素沉积阶段，以及鉴定出的关键 DEGs 和 TFs，为深入理解骨骼肌黑色素异常沉积的生物学机制提供了丰富的数据资源。同时，研究结果也为培育高肌肉黑色素含量的丝羽乌骨鸡品种提供了有力的理论支持，在动物遗传育种领域具有重要的应用价值，有望推动相关产业的发展。