《Journal of Theoretical Biology》：Expression profile of heat shock proteins, (chemo)cytokines, and tight junction proteins in hair follicles of
Bos taurus and
Bos indicus breeds reared under two production systems during summer season
编辑推荐：
热应激下 Brahman 与 Angus 牛毛囊中 (chemo)cytokines、HSPs 及 tight junctions 表达模式及调控机制研究。通过比较两种牛品种在传统与促生长技术下的夏季热应激响应，发现 Brahman 表达 HSP90、IL-1β、Xcl1、Cldn1 和 Ocln 显著低于 Angus，且促生长技术可下调部分炎症因子和紧密连接蛋白表达。首次证实牛毛囊中存在 (chemo)cytokines 和 tight junctions 表达，其调控受季节、品种及生产系统共同影响。
马克·布兰宁（Mark Branine）|金·R·斯塔克豪斯-劳森（Kim R. Stackhouse-Lawson）|阿什利·K·希林-哈兹莱特（Ashley K. Schilling-Hazlett）|佩德罗·H·V·卡瓦略（Pedro H.V. Carvalho）|埃迪兰·C·马丁斯（Edilane C. Martins）|劳拉·阿蒙德森（Laura Amundson）|克里斯·阿什沃思（Chris Ashworth）|迈克·索查（Mike Socha）|萨米·德里迪（Sami Dridi）
Zinpro公司，美国明尼苏达州伊登普雷里市55344
摘要
气候变化导致的广泛热浪对牛的生产系统、动物福利和经济可持续性构成了重大挑战。然而，某些牛品种，主要是具有Bos indicus基因型的品种（例如布拉曼牛），已经发展出了更强的体温调节能力和生理适应性，以抵御恶劣的高温环境，但其背后的机制尚未得到充分阐明。在本研究中，我们分析了在美国科罗拉多州夏季（2023年4月至10月）两种生产条件下饲养的耐热布拉曼牛和更不耐热的安格斯牛的毛囊（HF）中热休克蛋白、(化学)细胞因子、紧密连接蛋白以及与毛色相关的基因的表达谱。
两种牛的体重均随饲养天数显著增加，其中安格斯牛的生长速度高于布拉曼牛。在6月份，与毛色相关的基因（Mc1r, Bmp2）、Hsp90、促炎细胞因子（IL-1β, IL6, Crp）、趋化因子（Xcl1, Ccl20, Cxcl14）以及紧密连接蛋白（Cldn1, Ocln）的表达显著上调，这与较高的晴朗天空太阳辐射（RSO > 370 W/m2）相吻合，表明这些牛可能承受了更大的热负荷。安格斯牛的IL6, Crp, Xcl1, Ccl20, Cxcl14, Cldn1和Ocln基因表达显著更高，这可能与快速细胞增殖和代谢变化引起的炎症信号有关，也可能与两种牛品种的毛发和皮肤特征差异有关。使用生长促进技术（TRT）显著降低了Mcr1, Ccl20, Cldn1和Ocln基因的表达，这可能是由于植入物和β-激动剂的作用。这是首次报告显示（化学）细胞因子和紧密连接蛋白在牛的毛囊中表达，并且其表达受到季节、品种和生产系统的调控。
引言
作为肉类生产中排名第三的物种（仅次于家禽和猪，Smith等人，2018年），牛在提供营养丰富和全面的蛋白质及其他关键营养素、保障粮食安全以及支持全球数十亿人的生计方面发挥着关键作用（Gleason和White，2019年）。尽管牛产业具有不可否认的重要性，但无论是奶牛还是肉牛产业都面临着巨大挑战，包括需要为预计到2050年将达到100亿的人口提供食物（Delgado，2003年）。预计到2050年，牛肉消费量将从6000万吨增加到1.3亿吨（Colombi等人，2024b；Cooke等人，2020年），产业必须适应资源限制（如水资源、土地、能源）和全球变暖等全球性问题（AghaKouchak等人，2015年；Crew，2022年；Dolan，2022年；Eisenberg等人，2020年；Rosa和Sangiorgio，2025年；Schewe等人，2014年）。不可否认的是，过去两个世纪全球平均气温上升，热浪变得更加频繁、强烈且广泛（Clark等人，2024年；Judd等人，2024年），并且预计未来这一趋势还会持续（Armstrong McKay等人，2022年；Auffhammer等人，2017年；Grant等人，2025年；Xu等人，2020年）。根据联合国粮食及农业组织（FAO）的数据，全球变暖和干旱已经影响了畜牧业的生产可持续性，每年造成数十亿美元的损失（FAO，2017年；Thornton等人，2022年），如果不采取适当的预防/纠正措施，这些不利影响将更加严重（Bilotto等人，2025年；Golub等人，2013年；Pelletier和Tyedmers，2010年）。在基本层面上，理解牛对热应激的分子和细胞机制是必要的。
热应激反应的严重程度、强度和范围涉及复杂的生物学过程和分子网络，从蛋白质质量控制和细胞存活途径的激活到细胞死亡级联反应（Richter等人，2010年），导致从不适到多器官损伤，甚至在极端情况下导致死亡（Belhadj Slimen等人，2016年）。目前普遍认为，热应激的快速反应机制包括多种分子因子的调节，如热休克蛋白（Liu等人，2024年）、趋化因子（Sakai等人，2020年）和细胞因子（Chen等人，2018年）。热休克蛋白是一种伴侣蛋白，主要负责帮助受损蛋白质重新折叠并防止其聚集（Saibil，2013年）。细胞因子在炎症反应和随后的修复过程中起关键作用（Gieseck等人，2018年）。先前的研究表明，这些分子标志物在牛的不同品种（布拉曼牛与安格斯牛）和不同处理条件下（自然条件与传统条件）的循环中的表达存在差异（Branine等人，2025年）。
布拉曼牛起源于印度引入的Bos indicus牛种，已经进化出显著的适应能力，变得耐热（Hernandez-Ceron等人，2004年）。相比之下，安格斯牛（Bos taurus）原产于苏格兰，体重较重且生长速度快（Johnson，1996年），但对热负荷敏感（Hernandez-Ceron等人，2004年）。安格斯牛以黑色毛色为特征，而布拉曼牛的毛色范围更广（灰色和红色）。有趣的是，布拉曼牛的毛色不仅会随年龄变化，还会随季节变化（Senczuk等人，2022年）。毛色被认为是提高耐热性的重要特征和选择指标（Dikmen等人，2017年）。除了耐热性外，毛色还影响牛的生长表现（Anzures-Olvera等人，2019年）。例如，调节真黑素/褐黑素生成并决定毛色的agouti信号蛋白（ASIP）基因已被证明能调节啮齿动物和哺乳动物的新陈代谢和生长（Kempf等人，2022年；Liu等人，2018年）。多项研究表明，与应激相关的基因（如HSPs）中的多个SNP与耐热性和生长有关（Al-Jaryan，2023年；Li等人，1995年）。尽管上述基因在耐热性和生长中起关键作用，但在肉牛育种中的基因组选择应用不如奶牛育种广泛（Colombi等人，2024a），部分原因是相关数据不足。因此，本研究旨在确定在美国科罗拉多州夏季（2023年4月至10月）两种生产条件下饲养的布拉曼牛和安格斯牛毛囊中与毛色相关的基因、热休克蛋白、细胞因子和紧密连接蛋白的表达谱，以寻找潜在的非侵入性标记物。
伦理声明
本研究遵循美国国立卫生研究院关于实验室动物护理和使用的指南，并获得了科罗拉多州立大学动物护理和使用委员会的批准（协议编号3712-13）。
牛的品种、处理方式、季节和实验设计
详细的实验设计已在先前研究中描述（Branine等人，2025年）。简要来说，实验使用了100头布拉曼牛（
Bos indicus）和100头安格斯牛（
Bos taurus），这些牛配备了视觉和无线电监测设备。
结果与讨论
畜牧业可持续性面临的主要挑战包括全球对高质量动物蛋白需求的急剧增加（Delgado，2003年）以及适应全球变暖和有限自然资源的需求（Golub等人，2013年；Thornton等人，2022年）。热应激对牛的生长、生产和福利的负面影响已有充分记录（Bunning和Wall，2022年；Fernandez-Novo等人，2020年）。尽管有先进的管理技术，
结论
总体而言，本研究首次表明：1）牛毛囊中（化学）细胞因子和紧密连接蛋白（Cldn1和Ocln）的表达；2）热休克蛋白（HSPs）、（化学）细胞因子、与毛色相关的基因以及紧密连接蛋白的表达受到季节、品种和生产系统的调控。这些基因未来可以作为非侵入性标记物使用，但还需要进一步深入研究。此外，
CRediT作者贡献声明
金·R·斯塔克豪斯-劳森（Kim R. Stackhouse-Lawson）：撰写 – 审稿与编辑，项目管理。阿什利·希林-哈兹莱特（Ashley Schilling-Hazlett）：撰写 – 审稿与编辑。马克·布兰宁（Mark Branine）：撰写 – 初稿撰写，资金筹集，数据分析，数据整理。劳拉·阿蒙德森（Laura Amundson）：撰写 – 审稿与编辑。克里斯·阿什沃思（Chris Ashworth）：撰写 – 审稿与编辑。佩德罗·卡瓦略（Pedro Carvalho）：撰写 – 审稿与编辑。埃迪兰·马丁斯（Edilane Martins）：撰写 – 审稿与编辑。迈克·索查（Mike Socha）：撰写 – 审稿与编辑。萨米·德里迪（Sami Dridi）：撰写 – 审稿与编辑。未引用的参考文献
Al-Jaryan等人，2023年；Dolan等人，2022年；Grant等人，2025年；Jihwan Lee等人，2024年；Johnson等人，1996年；LOPEZ等人，2006年；Williams等人，2012年；Xue Yuanuan等人，2024年。
伦理声明
本研究遵循美国国立卫生研究院关于实验室动物护理和使用的指南，并获得了科罗拉多州立大学动物护理和使用委员会的批准（协议编号3712-13）。
数据可用性声明
所有数据均包含在手稿中。如需原始数据，可提出合理请求。
利益冲突
作者马克·布兰宁（Mark Branine）、劳拉·阿蒙德森（Laura Amundson）和迈克·索查（Mike Socha）受雇于Zinpro公司。其余作者声明，本研究在没有任何可能构成利益冲突的商业或财务关系的情况下进行。Zinpro公司未参与研究的实施、数据生成、结果解读或手稿撰写。
资助
本研究未接受任何外部资助。
利益冲突声明
作者声明，本研究在没有任何可能构成利益冲突的商业或财务关系的情况下进行。
