湖羊瘤胃上皮、肝脏和肌肉组织特异性转录组图谱揭示代谢分工与生长性状的遗传基础

《BMC Genomics》：Transcriptomic profiling of rumen epithelium, liver, and muscle reveals tissue-specific gene expression patterns in Hu sheep

本研究针对湖羊重要代谢器官（瘤胃上皮、肝脏和肌肉）的基因表达协同机制不清的问题，通过RNA-seq分析48份样本，鉴定出7,403个共表达基因和3,414个特异表达基因。研究发现瘤胃上皮基因表达复杂度高但功能富集有限，肝脏主导氨基酸/脂代谢，肌肉富集内分泌通路。WGCNA分析揭示了与干物质采食量（DMI）和平均日增重（ADG）显著相关的基因模块（如瘤胃MEblue模块与DMI负相关R=-0.63），并发现JUN、CDIP1等关键基因的跨组织调控网络。该研究为湖羊饲料效率遗传改良提供了分子靶点。

反刍动物作为重要的农业经济物种，其生长效率和营养利用能力直接关系到畜牧业的经济效益。在反刍动物的复杂消化系统中，瘤胃上皮、肝脏和肌肉是三个关键代谢器官，分别承担着营养吸收、物质代谢和能量消耗的核心功能。然而，这些组织如何通过协调基因表达来应对代谢需求，尤其是在具有高经济价值的湖羊（Ovis aries）中，其分子机制尚不明确。湖羊作为中国本土优良肉羊品种，以其高繁殖性能和快速生长特性被广泛推广至新疆、西藏等地，但针对其雄性个体的多组织转录组研究仍较缺乏。

为了解决这一空白，南京农业大学动物科技学院的研究团队在《BMC Genomics》上发表了最新研究，通过对16头雄性湖羊的瘤胃上皮、肝脏和肌肉组织进行RNA测序（RNA-seq），系统解析了组织特异性基因表达模式，并挖掘了与饲料效率性状相关的关键基因网络。该研究不仅揭示了三大组织在代谢功能上的分工特征，还通过加权基因共表达网络分析（WGCNA）发现了与干物质采食量（DMI）和平均日增重（ADG）显著关联的基因模块，为湖羊的精准选育提供了理论依据。

关键技术方法

研究选取24.56±0.97 kg初始体重的健康雄性湖羊，在相同环境条件下进行100天饲养试验（含10天适应期），屠宰后30分钟内采集瘤胃上皮、肝脏和肌肉组织样本48份。使用TRIzol法提取总RNA，构建文库后进行Illumina测序。原始数据经质控后比对到羊参考基因组（Oar_v3.1），采用StringTie进行转录本组装和FPKM标准化表达量化。通过主成分分析（PCA）、差异表达基因（DEGs）筛选（|log₂FC|≥1.5且FDR<0.01）和GO/KEGG富集分析解析组织功能特征。利用WGCNA构建基因共表达网络，以组织中位数绝对偏差（MAD>1.5）筛选高变异基因集，设置软阈值22保证无标度拓扑，识别与组织类型及表型（DMI、ADG）显著相关的模块。

基因表达概览与组织特异性模式

研究共检测到30,171个转录本，瘤胃上皮表达基因数量（13,536±310）显著高于肝脏（11,688±316）和肌肉（11,857±420）（P<0.0001）。组织间共享7,403个共同表达基因，而瘤胃上皮、肝脏和肌肉分别特有1,782、818和814个基因。瘤胃上皮特有基因富集于同源重组（oas03440）等DNA修复通路，肝脏主导补体凝血级联（oas04610）和氨基酸代谢，肌肉特异性基因显著关联细胞骨架调控（oas04820）和内分泌通路。这些结果通过PCA和热图得到可视化验证，表明组织间转录组结构存在显著分化。

共同表达基因的功能分异与代谢特征

对7,403个共同表达基因进行三元图分析发现，瘤胃上皮中高表达基因显著聚集，提示其具有独特的转录偏好。差异表达分析识别出瘤胃上皮vs肝脏1,158个DEGs（437上调/721下调），瘤胃上皮vs肌肉1,196个DEGs（512上调/684下调），肝脏vs肌肉1,582个DEGs（902上调/680下调）。KEGG分析显示肝脏在氨基酸和脂代谢通路上调显著，而瘤胃上皮在肌醇磷酸代谢和硫代谢中活跃，肌肉则富集糖酵解和氧化磷酸化通路。研究还发现线粒体基因CYTB和COX3在所有组织中稳定高表达，提示其作为内参基因的潜力。

WGCNA揭示组织特异性模块与表型关联

基于8,733个高变异基因的WGCNA识别出7个共表达模块，其中MEdarkturquoise模块（4,432基因）与瘤胃上皮显著相关（R=0.99, P=3×10^-38），MEdarkgreen模块（822基因）特异性关联肝脏（R=0.94），MEdarkolivegreen模块（1,187基因）富集于肌肉（R=0.94）。瘤胃上皮的MEblue模块与DMI负相关（R=-0.63, P=0.009），肝脏MEdarkslateblue模块同样与DMI负相关（R=-0.68, P=0.004）。ADG相关模块中，肝脏MEdarkmagenta模块（R=0.59）和肌肉MEsteelblue模块（R=0.57）均显示正相关。跨组织模块相关性分析发现，瘤胃与肝脏的DMI相关模块显著正相关（r=0.540, FDR=0.0309），肝脏与肌肉的ADG模块亦呈现协同（r=0.804, FDR=7.07×10^-4）。

关键Hub基因的功能解析

瘤胃上皮MEdarkturquoise模块中，组蛋白去乙酰化酶1（HDAC1）、plakoglobin（JUP）等基因在网络中具有高连接度，参与上皮更新和信号转导；肝脏MEdarkgreen模块中，α1-微球蛋白/比库宁前体（AMBP）、载脂蛋白等基因主导代谢解毒；肌肉MEdarkolivegreen模块中，SWI/SNF相关染色质重塑因子（SMARCD3）与ADG相关QTLs重叠，提示其通过表观调控影响生长。跨组织分析进一步发现，JUN基因在DMI关联模块中为唯一差异表达基因，而CDIP1、NR1H3和MSRB3在ADG模块中显著下调于瘤胃上皮，这些基因在脂代谢和氧化应激中的功能为性状改良提供了候选靶点。

结论与展望

本研究通过多组织转录组整合分析，揭示了湖羊瘤胃上皮、肝脏和肌肉在基因表达模式和代谢功能上的显著分化。瘤胃上皮侧重于上皮更新和损伤修复，肝脏核心调控营养物质代谢，而肌肉主要参与能量平衡和结构维持。WGCNA网络不仅刻画了组织特异性共表达模块，还挖掘出与DMI和ADG紧密关联的基因群，如瘤胃MEblue模块和肝脏MEdarkslateblue模块协同调控采食量，肝脏与肌肉模块通过CDIP1等基因互作影响增重。这些发现为理解反刍动物营养分配机制提供了新视角，鉴定的关键基因（如JUN、NR1H3）有望用于标记辅助选择，提升饲料转化效率。未来研究可通过多组学整合和单细胞测序进一步验证这些靶点，推动湖羊育种从经验性向精准化跨越。