组织形态与转录组整合分析揭示多毛与粗毛绵羊被毛表型分化的遗传基础与免疫-脂代谢调控新机制

《BMC Genomics》：Comparative histomorphometric and transcriptomic analysis reveals potential genetic determinants of pelage variation between hairy and coarse-woolly sheep

本研究针对多毛绵羊与粗毛绵羊被毛表型分化的遗传机制不清、制约耐热且无需剪毛新品种培育的难题，通过对澳大利亚白绵羊（AWS，多毛表型）和湖羊（HS，粗毛表型）进行皮肤组织形态计量学和转录组学整合分析，发现皮下脂肪沉积和免疫调节是表型分化的潜在关键调控因素，并鉴定出KAP20-2、KRT6A、EDA2R等与纤维弯曲度、长度相关的候选基因，为培育气候适应性强、管理成本低的绵羊品种提供了分子育种靶点和理论依据。

绵羊作为最早被驯化的家畜之一，其被毛特性在适应不同环境和满足人类需求的过程中发生了显著分化。现代家绵羊主要根据被毛特征分为多毛型和羊毛型，后者又可细分为粗毛、中毛和细毛亚型。多毛绵羊保留着更接近其野生祖先的被毛组成，包含髓质化的刚毛（kemp）、有髓毛和无髓毛，并且具有季节性换毛的特性。这使得它们相比持续生长羊毛的粗毛绵羊具有更优越的耐热性和更低的剪毛成本，尤其在全球变暖和羊毛市场低迷的背景下，其优势愈发凸显。然而，控制多毛和粗毛绵羊被毛组成和发育差异的分子机制尚不完全清楚，这严重阻碍了利用现代生物技术育种手段培育具有优良被毛性状新品种的进程。

为了深入探究这一问题，一篇发表在《BMC Genomics》上的研究论文，题为“Comparative histomorphometric and transcriptomic analysis reveals potential genetic determinants of pelage variation between hairy and coarse-woolly sheep”，由河南农业大学的Sen Ma和Tong Fu等人共同完成。研究人员以澳大利亚白绵羊（AWS，代表多毛表型）和中国本土的湖羊（HS，代表粗毛表型）为模型，开展了一项整合了比较组织形态学和皮肤转录组学的多维度分析。

本研究的关键技术方法主要包括：对AWS和HS的皮肤和毛纤维样本进行组织形态计量学分析（如H&E染色测量皮肤各层厚度、毛囊比例等）和毛纤维形态学观察（如髓质结构、伸直长度测量）；利用RNA-seq技术对皮肤组织进行转录组测序，筛选差异表达基因（DEGs），并进行GO（Gene Ontology）和KEGG（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes）通路富集分析、蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）网络构建；通过qRT-PCR对部分关键DEGs进行表达验证。样本来源于河南中牟县某商业羊场的健康成年母羊。

表型特征分析揭示被毛与皮肤结构差异

研究人员首先对AWS和HS的被毛及皮肤进行了详细的表型分析。宏观观察显示，HS的被毛由均匀、细长、有光泽的纤维组成，而AWS的被毛则包含三种截然不同的纤维类型：刚硬、高度髓质化的刚毛（kemp），有髓的卷曲毛（hair）以及无髓的绒毛（wool）。显微结构分析进一步证实了这些差异，AWS的刚毛具有厚实、连续的髓质，而HS的有髓毛髓质则不规则且不连续。纤维伸直长度测量表明，HS的羊毛纤维最长，而AWS的刚毛最短。组织学切片分析发现，尽管两种绵羊的毛囊基本结构（初级毛囊PHF和呈簇状分布的次级毛囊SHF）相似，但皮肤各层比例存在显著差异：HS的真皮厚度和比例显著大于AWS，而AWS的皮下脂肪层（hypodermis）厚度和比例则显著大于HS。次级毛囊与初级毛囊的比例（S/P）在两组间无显著差异。这些结果清晰地描绘了多毛绵羊和粗毛绵羊在纤维组成和皮肤结构上的独特表型特征。

转录组分析筛选关键差异表达基因

为了从分子层面揭示表型差异的基础，研究团队对AWS和HS的背部皮肤进行了转录组测序分析。共鉴定出370个差异表达基因（DEGs），其中153个在AWS中高表达，217个在HS中高表达。功能富集分析显示，这些DEGs显著富集于两大类生物学过程和通路：在AWS中高表达的基因主要与脂代谢相关，如甘油酯代谢、脂肪消化与吸收等通路；而在HS中高表达的基因则主要与免疫调节功能相关，如细胞因子-细胞因子受体相互作用、金黄色葡萄球菌感染等通路。此外，与毛发中间纤维及其相关基质相关的候选基因（如LOC114113348/KAP20-2, LOC101111178/KRT6A-like）以及EDA2R等也表现出品种特异性的表达模式。

AWS中上调基因凸显脂代谢核心作用

对AWS特异性高表达基因的深入功能分析表明，脂代谢过程是其最显著的特征。多个参与甘油三酯合成的酰基转移酶基因（如MBOAT2, PNPLA3以及多个2-酰基甘油O-酰基转移酶异构体）在AWS皮肤中表达上调。同时，一系列在脂肪细胞发育、脂质沉积和代谢中起关键作用的基因，如DGAT2L6（二酰基甘油O-酰基转移酶2样6）、ELOVL3（ELOVL脂肪酸延长酶3）、ADIG（脂肪生成素）和CIDEA（细胞死亡诱导DFFA样效应子A）等，也在AWS中特异性高表达。这些基因的表达上调从分子水平解释了AWS为何拥有更厚的皮下脂肪层，并提示皮下脂肪沉积可能通过分泌某些脂肪因子（如BMP2）抑制毛囊生长，从而与观察到的AWS毛纤维较短的表型相关联。

HS中上调基因聚焦免疫调节与毛纤维组成

对HS中高表达基因的分析揭示了两个主要功能集群：免疫调节和毛纤维结构。在免疫方面，一系列与免疫细胞功能相关的表面标志物和调节因子基因在HS中高表达，例如CSF3R（集落刺激因子3受体）、CXCR2（C-X-C motif趋化因子受体2）以及多种白细胞介素受体（IL2RB, IL2RG）和整合素（ITGAM, ITGB2）等。这些基因的协同表达可能有助于在HS毛囊周围建立一个免疫抑制微环境，类似于生长期毛囊的“免疫豁免”状态，从而有利于毛发的持续生长。在毛纤维结构方面，虽然多个角蛋白（KRT）和角蛋白关联蛋白（KAP）基因在HS中的表达量相对较低，但KRT25、KRT71、DSG4（桥粒芯蛋白4）等基因的差异表达仍提示它们可能与两种绵羊毛纤维的物理特性（如弯曲度、强度）差异有关。值得注意的是，与羊毛弯曲度密切相关的KAP20-2基因在AWS中表达极高，这可能与其刚毛的挺直特性有关。

PPI网络揭示基因功能协同

蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）网络分析进一步支持了上述发现。AWS中上调的DEGs形成了数个功能相关的子网络，主要围绕脂质代谢过程协同作用。而HS中上调的DEGs则形成了分别与免疫调节（如细胞因子信号、补体系统）和角蛋白纤维组装相关的独立子网络，表明这些基因可能通过不同的生物学过程影响被毛表型。例如，KRTAP11-1与KRT25、DSG4等已知毛囊结构蛋白的相互作用，提示其可能在调控纤维形态中扮演角色。

研究结论与意义

这项研究通过整合组织形态学和转录组学分析，系统地揭示了下皮脂肪生成和免疫调节是潜在调控多毛绵羊和粗毛绵羊被毛表型分化的关键因素。研究表明，AWS中活跃的脂代谢基因表达（如DGAT2L6, CIDEA, ADIG）与其发达的皮下脂肪沉积相关，这可能通过脂肪因子介导的毛囊生长抑制效应，间接导致其毛纤维长度较短。相反，HS皮肤中免疫相关基因和通路的富集，提示免疫系统，特别是通过维持毛囊的“免疫豁免”状态，可能是影响其被毛持续生长的重要机制。此外，研究还鉴定出多个与被毛性状相关的关键候选基因，如与纤维弯曲度相关的KAP20-2，与毛囊凋亡相关的EDA2R等。这些发现不仅为理解绵羊被毛多样性的遗传基础提供了新的视角，更重要的是，为未来通过分子标记辅助选择，定向培育具有优良被毛性状（如耐热、自动脱毛）且管理成本低的新型绵羊品种提供了宝贵的遗传靶点和理论依据。未来的研究可着眼于不同季节被毛变化的动态规律，并利用单细胞组学等技术进一步阐明特定细胞类型在调控被毛表型中的具体作用机制。