褪黑素调控绒山羊绒毛生长新机制：整合转录组与蛋白质组揭示跨品种保守通路

《BMC Genomics》：Integrated transcriptomic and proteomic analysis reveals molecular mechanisms of melatonin-regulated hair follicle growth in cashmere goats and comparative insights across goat breeds

本研究针对绒山羊绒毛周期性生长调控机制不清的问题，通过整合转录组与蛋白质组学技术，系统揭示了外源褪黑素通过影响Wnt、BMP、Hippo等关键信号通路及DLX3、KRT35等核心基因表达，进而调控次级毛囊生长周期的新机制。研究不仅构建了褪黑素调控绒毛生长的分子网络模型，还通过跨品种比较发现了保守的调控通路，为提升羊绒产量和品质提供了重要理论依据和潜在靶点。

在寒冷的冬季，一件轻盈保暖的羊绒衫是许多人的御寒首选。这珍贵的羊绒源自绒山羊皮肤上的次级毛囊，其生长遵循着严格的年周期节律：生长期、退行期和休止期。理解并精准调控这一周期，对于提高羊绒的产量和品质至关重要。然而，毛囊周期性生长的分子调控网络极为复杂，尤其是关键的生长期（Anagen）内不同阶段的精细调控机制，以及外源因素如褪黑素（Melatonin）如何影响这一过程，仍有待深入阐明。以往的研究多集中于转录水平，未能全面揭示基因表达最终执行者——蛋白质层面的动态变化。为此，研究人员在《BMC Genomics》上发表了最新成果，通过整合转录组（Transcriptomic）与蛋白质组（Proteomic）分析，系统揭示了褪黑素调控内蒙古绒山羊毛囊生长的分子机制，并提供了跨品种的保守性见解。

为开展这项研究，研究人员主要应用了几项关键技术。他们采集了内蒙古罕山白绒山羊在4月至9月（生长期）的皮肤样本，设置了对照组和定期皮下植入褪黑素的实验组。通过RNA测序（RNA-Seq）技术获得了转录组数据，并利用数据非依赖采集（DIA）质谱技术进行了蛋白质组定量分析。运用加权基因共表达网络分析（WGCNA）识别与毛囊生长阶段相关的基因模块，并通过生物信息学方法（如DESeq2进行差异表达分析，clusterProfiler进行GO和KEGG富集分析）对差异表达的基因和蛋白质进行功能注释。此外，还整合了意大利和陕北白绒山羊的公开转录组数据，以进行跨品种的保守性分析。

差异表达及毛囊生长期阶段性特异性表达

研究人员对内蒙古绒山羊对照组生长期（4月至9月）的皮肤样本进行RNA-Seq分析，共鉴定出4921个差异表达基因。通过WGCNA分析，构建了基因共表达网络，并识别出两个关键基因簇：CC1和CC2。表达趋势分析结合已报道的绒毛长度变化数据，将生长期细分为三个阶段：S1（4-5月，快速生长期）、S2（6-7月，生长减缓期）和S3（8-9月，二次脱落前期）。CC1基因的表达从S1到S3逐渐升高，在8月后显著上调，该模块基因显著富集于皮肤发育、毛囊发育、毛周期等生物学过程，以及Wnt、BMP、Hippo等信号通路，并包含多种角蛋白（KRT）和角蛋白关联蛋白（KRTAP）基因，表明CC1正向调控毛囊生长和绒毛发育。相反，CC2基因表达呈下降趋势，在8月后显著下调，其基因富集于器官生长、细胞粘附、ERK1/2级联、MAPK、JAK-STAT、TNF等信号通路，提示CC2可能参与生长后期毛囊退行和绒毛生长减缓的调控。

外源褪黑素对内蒙古绒山羊绒毛生长期的影响

通过比较对照组（C）和褪黑素处理组（M）在S1、S2、S3三个阶段的基因和蛋白表达差异，研究人员发现褪黑素的影响具有阶段特异性。转录组分析显示，S1阶段差异基因最多（531个），S2（190个）和S3（154个）阶段依次减少；而蛋白质组分析则呈现相反趋势，S1阶段差异蛋白最少（80个），S2（280个）和S3（915个）阶段显著增加。功能富集分析表明，在S1阶段，褪黑素上调了Wnt信号通路相关基因（Wnt11、LEF1、FZD10、HOXC13、DLX3、FOXN1）以及KRT27、KRT35、KRTAP11-1等基因的表达，这可能驱动了绒毛的快速生长。在S2阶段，FGF5（已知抑制毛发生长）表达上调，而细胞外基质（ECM）受体相互作用相关基因（如COL1A1, COL1A2）表达下调，可能与绒毛生长减缓有关。在S3阶段，Wnt相关基因（NOTUM、SFRP2、WNT6）、Hedgehog相关基因（SHH、PTCH2）和FGF相关基因（FGF2、FGF21）的表达下调，同时胶原相关蛋白（COL1A1、COL1A2等）表达下降，这些变化可能共同抑制毛囊增殖，促进次级绒毛脱落和毛囊再生。

褪黑素影响下绒毛生长期的关键基因

通过整合转录组和蛋白质组数据，研究人员筛选出在两组学中共同差异表达的基因（CEGs），其中共同上调基因（T_P_UP）23个，共同下调基因（T_P_DOWN）20个。进一步将这些CEGs与关键基因簇CC1和CC2取交集，最终鉴定出18个对褪黑素敏感的关键基因（MSKGs），其中17个为上调基因（如ATP6V0A4、DLX3、KRT32、KRT35、KRT40、KRTAP11-1、SMOC2等），1个为下调基因（PCOLCE2）。文献调研显示，DLX3、多个KRT和KRTAP基因已被证实与毛囊分化、周期循环以及绒毛纤维形态结构密切相关。

不同绒山羊品种与毛发生长相关的保守基因及其分析

通过比较意大利绒山羊和陕北白绒山羊与内蒙古绒山羊的差异表达基因，研究人员发现了与绒毛生长相关的保守基因（CGs）和通路。在意大利绒山羊中，共同上调的CGs富集于BMP信号通路的负调控和毛囊形态发生，共同下调的CGs富集于JAK-STAT信号通路和胶原代谢过程。在陕北白绒山羊中，共同上调的CGs则富集于Wnt和Hippo信号通路。这些结果表明，尽管不同品种绒山羊的毛囊周期时间线存在差异，但核心的调控通路如Wnt、BMP、Hippo和JAK-STAT是保守的。特别值得注意的是，比较MSKGs与意大利绒山羊的差异基因发现，ATP6V0A4、DLX3和SMOC2是共同表达的基因，提示褪黑素可能也对意大利绒山羊的绒毛生长具有调控潜力，DLX3等基因可能成为重要的研究靶点。

综上所述，本研究通过整合多组学分析和跨品种比较，深入揭示了褪黑素调控绒山羊毛囊生长期的精细分子机制。研究不仅将生长期划分为三个功能 distinct 的阶段，还鉴定出多个褪黑素敏感的关键基因和信号通路，构建了褪黑素可能通过调控角蛋白合成、Wnt等信号通路来影响绒毛快速生长、生长减缓及二次脱落过程的假设模型。发现的跨品种保守基因为理解绒山羊绒毛生长的共性调控机制提供了新视角。这些发现为未来通过分子育种或生物技术手段干预毛囊周期、提高羊绒产量和品质奠定了坚实的理论基础，具有重要的科学意义和应用前景。当然，研究也存在局限性，如已鉴定的关键基因尚未进行功能验证，这将是未来研究的重要方向。