《Frontiers in Genetics》：Network-based multi-omics approaches to identify molecular signatures associated with pregnancy status in beef heifers
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为了解决肉牛繁殖效率问题，研究人员通过整合AI前外周血白细胞的转录组和蛋白质组数据，比较了可孕和低孕力青年母牛的分子差异，鉴定了差异表达基因、差异丰度蛋白及调控网络，揭示了免疫、代谢和细胞周期通路在妊娠建立中的作用，为开发无创生物标志物、优化选育策略提供了新视角。
繁殖力是影响肉牛生产系统效率和可持续性的关键因素。尽管人工授精（AI）的受精率较高，但单次授精后约30天的妊娠率仅为50%左右。即使结合自然交配，仍有部分青年母牛在繁殖季节结束时未能妊娠，造成显著的经济损失。传统的表型选择方法（如年龄、体况评分、生殖道评分）的预测能力有限。为了更早、更准确地预测肉牛青年母牛的繁殖潜力，寻找无创、可靠的生物标志物成为研究热点。外周血白细胞（PWBCs）作为系统性免疫状态的关键介质，易于采样，且其分子谱能反映与生殖器官功能相关的系统变化，是极具潜力的生物标志物来源。然而，目前对AI前PWBCs中多组学层面的分子特征及其调控网络如何影响妊娠结局的了解仍不全面。为此，一项发表在《Frontiers in Genetics》上的研究，通过整合转录组学和蛋白质组学数据，结合网络分析，深入探究了可孕与低孕力肉牛青年母牛在AI前的分子差异及其调控机制，为理解繁殖力背后的复杂生物学过程提供了新见解。
本研究采用了几项关键技术方法。研究纳入了92头西门塔尔-安格斯杂交青年母牛，根据AI及后续自然交配后的妊娠结局，最终选取了6头可孕和6头低孕力母牛进行多组学分析。样本为AI前2天采集的外周血白细胞。关键技术包括：1. RNA测序（RNA-Seq）和数据处理：使用Illumina NovaSeq平台进行双端测序，通过STAR比对到牛参考基因组，利用DESeq2进行差异表达基因（Differentially Expressed Genes, DEGs）分析。2. 非靶向蛋白质组学分析：基于液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）技术，通过Proteome Discoverer进行搜库和定量，利用limma包进行差异丰度蛋白（Differentially Abundant Proteins, DAPs）分析。3. 共表达与调控网络分析：采用PCIT（Partial Correlation and Information Theory）算法构建基因和蛋白质共表达网络，利用RIF（Regulatory Impact Factor）方法识别关键调控转录因子，并通过差异连接性（Differential Connectivity, DK）分析网络重连。4. 功能富集分析：使用WebGestalt进行过表征分析，并应用多组学基因集富集分析（multi-omics Gene Set Enrichment Analysis, multiGSEA）整合转录组和蛋白质组数据，以揭示相关的生物学通路。
3.1 转录组学和蛋白质组学分析揭示可孕与低孕力青年母牛之间的差异
通过对AI前2天采集的PWBCs进行分析，研究人员鉴定出230个DEGs和70个DAPs。在低孕力组中，分别有128个基因下调、102个基因上调，以及43个蛋白下调、27个蛋白上调。转录组与蛋白质组数据的整合分析显示，仅有四个分子在两组数据中重叠，并呈现一致的表达趋势，分别是UROS、KIFC3、DHRSX和NPL。其中，NPL的表达此前已被报道受孕酮调控，支持了其在早期妊娠建立中的潜在作用。这些差异分子主要富集于细胞周期调控、代谢和免疫相关通路。
3.2 共表达网络识别调控基因和蛋白
网络分析揭示了可孕与低孕力组之间在转录水平和蛋白质水平上不同的调控模式。在转录水平，低孕力组表现出更高的连接性，表明存在潜在的补偿性转录重连。研究共识别出92个具有潜在调控作用的RIF基因，其中包括ESR1。此外，表观遗传相关的转录因子，如MBD1、MBD2和SMARCE1，也发生了重连，这暗示了激素信号与染色质调控之间存在相互作用，共同调节基因表达并进而影响繁殖结果。在蛋白质水平，可孕组的共表达网络显示出更高的密度和连接性，而低孕力组则表现出连接减少，提示存在转录后或翻译层面的调控机制。
3.3 KEGG通路和生物学过程在繁殖力组间存在差异调控
功能富集分析发现，DEGs和DAPs共同富集的通路涉及染色体组织、细胞周期调控等。在蛋白质层面独有的生物学过程包括干扰素-β（IFNβ）产生的正向调控。多组学整合的Meta通路分析揭示了胰岛素信号、Rap1信号和趋化因子信号通路与繁殖状态相关。基因集富集分析进一步指出，在低孕力组中，JAK-STAT信号通路、Rap1信号通路以及Th1和Th2细胞分化等通路被显著抑制。这些发现强调了免疫调节、代谢和细胞信号在决定妊娠成功中的核心作用。
该研究通过整合多组学与网络分析，系统揭示了肉牛青年母牛妊娠建立前的关键分子特征与调控网络。研究发现，可孕与低孕力青年母牛在外周血白细胞中存在显著的转录组和蛋白质组差异，这些差异分子涉及细胞周期、代谢（如胰岛素信号）和免疫相关（如趋化因子和JAK-STAT信号）通路。网络分析表明，低孕力组在转录层面存在增强的连接性，可能是一种补偿性重连，而在蛋白层面则表现为功能协调性的降低。研究识别出ESR1、MBD1、MBD2等关键转录因子和表观遗传调控因子的重连，揭示了激素信号与染色质调控互作在调节生育力中的新机制。特别值得注意的是，NPL、KIFC3、DHRSX等分子在两组学中均呈现一致差异，为潜在的生物标志物。此外，免疫相关通路如IFNβ产生的正向调控和JAK-STAT信号的下调，提示低孕力可能与母体免疫系统的异常调节有关。
这项研究的重要意义在于，它证实了外周血白细胞能够反映与繁殖状态相关的系统性分子变化，是一种有前景的非侵入性生物标志物来源。所采用的整合多组学方法不仅为理解肉牛青年母牛生育力背后的调控网络提供了新见解，而且通过识别关键通路和分子靶点，为未来开发提高肉牛繁殖效率的预测工具和干预策略奠定了分子基础。尽管存在样本量较小等局限性，但该研究成功勾勒出繁殖力相关的复杂分子互作图谱，强调了多组学整合在解析复杂性状中的价值，并为推动精准畜牧业的可持续发展提供了重要的科学依据。
