结构和上位调节变异导致了牛特有的白斑现象

《SCIENCE ADVANCES》：Structural and epistatic regulatory variants cause hallmark white spotting in cattle

该研究揭示了荷斯坦-弗里森牛白色斑点 coat pattern 的两个主要遗传位点，即 KIT 基因上游的 6.9kb 结构变异和 MITF 基因内含子的非同义 SNP。通过小鼠模型验证，发现 KIT 变异影响黑色素细胞增殖，MITF 变异调控 SOX10 结合位点，导致白色斑点程度及分布差异。同时，这两个变异与牛其他 coat patterns（如黑袜子、白色面部）存在表观互作。

本研究聚焦于奶牛中一种标志性且显著的毛色斑点特征——白斑图案，旨在揭示其背后的遗传机制。通过深入分析与白斑相关的关键基因变异，研究人员成功鉴定了两个主要的基因座，分别是位于第6号染色体上的KIT基因和第22号染色体上的MITF基因。这两个基因座的变异不仅解释了奶牛中白斑的形成，还揭示了它们与其他毛色特征之间的复杂相互作用，如细小斑点、黑色袜子（“黑袜”）以及反向表达的白色面部特征等。研究结果表明，这些变异在不同品种的奶牛中具有广泛的分布，并可能对多个毛色模式产生影响，为动物育种提供了新的理论基础。

白斑是奶牛品种中最为引人注目的毛色特征之一，这一特征在许多品种中都有出现，例如荷斯坦-弗里斯兰奶牛（HFs）以及相关的比利时蓝牛（Belgian Blue）和白公园牛（White Park）等。然而，直到最近，研究人员才开始系统地解析白斑的遗传基础。在过去的遗传学研究中，虽然已经确定了其他毛色模式的基因座，如Galloways的带状毛色、Herefords和Simmentals的白色面部、比利时蓝牛的黑色袜子等，但白斑的分子机制仍未被完全揭示。因此，这项研究填补了这一领域的重要空白。

研究团队通过结合短读长和长读长测序技术，对一群约3000头HFs、杰里牛（Jersey）和其杂交种奶牛的基因组进行了分析，成功定位了两个与白斑相关的重大基因座。其中，位于第6号染色体上的变异被认为是一种非编码的结构变异，而第22号染色体上的MITF基因则被发现含有一个单核苷酸多态性（SNP）。通过构建“荷斯坦化”的小鼠模型，并进行实验性基因敲除，研究人员验证了这些变异的因果关系，并进一步探索了它们在不同品种奶牛中的影响。

对于第6号染色体上的KIT基因，研究发现其上游存在一个约13千碱基对（kb）的插入序列，这一序列在参考基因组中未被正确表示，导致之前的短读长测序分析出现了偏差。通过使用长读长测序技术，研究人员确认了这一结构变异的存在，并发现其在不同品种奶牛中的分布情况。例如，荷斯坦和Hereford奶牛几乎固定携带这一变异，而杰里牛和一些其他品种则显示出较低的频率。这一发现表明，KIT基因的变异可能对白斑的形成具有关键作用，并且其影响可能具有种群特异性。

MITF基因的变异则表现出不同的功能特性。该基因位于第22号染色体上，其非编码区域的SNP与白斑的表达具有显著相关性。通过构建小鼠模型并进行基因编辑实验，研究人员发现这一变异可能通过调控MITF基因的表达，进而影响毛色图案的形成。有趣的是，尽管在奶牛中该SNP与白斑增加相关，但在小鼠中，这一变异却导致了明显的脱色效应。这种物种间的功能差异提示了不同物种在毛色调控机制上的潜在差异，可能是由于细胞发育过程或调控网络的差异所引起的。

此外，研究还揭示了KIT和MITF变异之间的表型相互作用。例如，在Hereford与杰里牛的杂交后代中，观察到部分个体表现出“斑驳”的面部特征，这可能与KIT基因的变异有关。然而，进一步的关联分析显示，这一表型的出现与MITF基因的变异密切相关。这一发现表明，KIT和MITF基因座之间的表型相互作用可能是导致复杂毛色模式的关键因素。同时，研究还发现，MITF变异可能影响其他毛色特征，如比利时蓝牛的“黑袜”和奶牛的细小斑点，进一步支持了其在毛色调控中的核心作用。

为了验证这些变异的因果性，研究人员通过细胞模型和小鼠实验进行了深入的功能分析。在小鼠中，KIT基因的结构变异被成功敲除，导致了显著的白斑表型。相比之下，MITF基因的变异则表现出不同的调控机制，其影响可能与特定的细胞行为或发育阶段有关。通过分析细胞周期和伤口愈合等实验，研究人员发现KIT变异对细胞增殖和迁移的影响较小，而MITF变异则可能通过改变细胞迁移能力，间接影响毛色模式的形成。

研究还通过多品种分析，揭示了这些变异在不同品种奶牛中的分布模式。例如，白斑在荷斯坦和Hereford奶牛中普遍存在，而在其他一些品种中则较为罕见。这种分布差异可能与历史选育过程有关，某些品种可能更倾向于保留这些变异，而另一些则可能通过自然选择或人工干预排除了这些基因座。此外，研究还发现，MITF变异可能具有进化上的保守性，其在人类和小鼠基因组中均存在，并且与SOX10和PAX3等转录因子的结合位点有关，进一步支持了其在毛色调控中的重要性。

本研究的发现不仅加深了我们对奶牛毛色变异的理解，也为动物育种提供了新的视角。通过揭示KIT和MITF基因座的遗传机制，研究人员为培育具有特定毛色特征的奶牛品种提供了理论依据。例如，某些品种可能希望保留或增强白斑特征，而另一些则可能希望减少这些特征。此外，研究还提示了在不同物种中，毛色调控的机制可能存在差异，这需要进一步的跨物种比较研究来阐明。

值得注意的是，尽管KIT和MITF变异在奶牛中与白斑相关，但它们在动物性能方面的潜在影响仍需进一步探讨。例如，MITF变异可能对奶牛的产奶量、生长速度或其他经济性状产生影响，这可能解释了其在自然选择中的保留。然而，目前的分析并未发现显著的性能相关效应，因此，这种变异可能主要通过其对毛色的调控作用被选育。

总体而言，本研究通过结合多种基因组分析技术，成功鉴定了KIT和MITF基因座中的关键变异，并揭示了它们在白斑形成中的作用。这些变异不仅在荷斯坦奶牛中具有重要影响，还可能在其他品种中发挥类似作用，进一步强调了它们在动物遗传学中的普遍性。此外，研究还发现，KIT和MITF变异之间存在复杂的表型相互作用，这为理解毛色调控的多基因网络提供了新的线索。未来的研究可以进一步探索这些变异在不同环境和育种策略下的表现，以及它们对其他性状的潜在影响，从而为动物遗传改良提供更全面的理论支持。