《Journal of Animal Science and Biotechnology》：Pan-tissue transcriptomic profiling of dairy cattle
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背景：奶牛产奶性状是由多组织及分子层级协调调控程序产生的典型复杂性状，既往转录组研究多局限于乳腺和肝脏等少数关键组织，全生物体内调控产奶性状的转录调控机制仍不清楚，尤其非编码RNA（non-coding RNA, ncRNA）、可变剪接（alternative
背景：奶牛产奶性状是由多组织及分子层级协调调控程序产生的典型复杂性状，既往转录组研究多局限于乳腺和肝脏等少数关键组织，全生物体内调控产奶性状的转录调控机制仍不清楚，尤其非编码RNA（non-coding RNA, ncRNA）、可变剪接（alternative splicing, AS）及可变多聚腺苷酸化（alternative polyadenylation, APA）在不同组织的贡献及其塑造的组织特异性调控图谱尚未在全组织尺度系统描绘。本研究旨在系统表征奶牛多组织的组织特异性转录组及转录后调控特征。结果：研究人员对2头成年荷斯坦牛的99个组织进行RNA-seq测序，并整合公开数据库中182头成年荷斯坦牛400个RNA-seq样本（覆盖127个组织），最终获得涵盖166个组织的转录组图谱。采用one-versus-all框架鉴定组织特异性基因（tissue-specific genes, TSGs），揭示不同组织代谢需求与生理特化，高活性组织（脑、乳腺、生殖器官）含更多TSGs。进一步预测RNA–RNA互作，发现TSGs可能参与协调的ncRNA互作网络。转录后水平经rMATS分析显示，外显子跳跃（skipped exon, SE）与互斥外显子（mutually exclusive exons, MXE）是各组织主要AS类型；APA分析中近端多聚腺苷酸化位点使用广泛，但脑表达基因更倾向使用远端位点。基于牛、人、猪共11,547个一对一直系同源基因（one-to-one orthologues）的跨物种分析显示，同源组织一般聚类在一起，而输卵管（oviduct）表达模式更接近下丘脑-垂体-性腺轴（hypothalamic-pituitary-gonadal, HPG轴）组织。结论：本研究建立了奶牛广泛器官的整合多组织转录组及转录后调控图谱，为探究转录及转录后调控的组织特异性变异提供了宝贵资源。
《Journal of Animal Science and Biotechnology》发表：奶牛全组织转录组图谱构建与多层级调控解析——论文解读
研究背景与立项依据
奶牛产奶性状是受多组织、多分子层级协同调控的典型数量性状，既往牛转录组研究大多聚焦乳腺、肝脏等个别组织，对全机体尺度下转录调控如何协同塑造产奶及相关经济性状的认识十分有限。特别是非编码RNA（non-coding RNA, ncRNA，包括miRNA、lncRNA、circRNA）、可变剪接（alternative splicing, AS）和可变多聚腺苷酸化（alternative polyadenylation, APA）在不同组织的贡献差异及组织特异性调控全景尚未被全组织规模系统描绘。为填补这一空白，研究人员开展了荷斯坦奶牛全（pan-tissue）转录组及转录后调控图谱的构建与分析。
主要关键技术方法
研究人员选取同父系、生理状态匹配的两头健康初产成年荷斯坦牛（Holstein cows），剖取并采集99个组织类型（各两重复）；同时整合NCBI BioProject中182头成年健康荷斯坦牛400个公开RNA-seq样本（覆盖127组织），自建+公共数据共计涵盖166种组织。对自建样本进行poly(A)+mRNA建库及small RNA建库Illumina NovaSeq 6000 PE150测序。采用HISAT2比对牛参考基因组ARS-UCD1.2，StringTie定量基因为TPM值；用ComBat校正批次效应，UMAP可视化。组织特异性基因/lncRNA/miRNA/circRNA以one-versus-all用limma或DESeq2鉴定（TSG标准log2FC > 1，adj. P < 0.05）。AS用rMATS(v4.2.0)识别五类经典AS事件，APA用DaPars+QAPA估算远端/近端多聚腺苷酸化位点使用比。miRNA用miRDeep2鉴定，lncRNA用PLEK/CNCI/LGC预测，circRNA用find_circ识别。ceRNA网络由RNAhybrid与miRanda共预测。KEGG富集用clusterProfiler。细胞类型评分借助已发表的牛多组织单细胞转录组图谱（Cattle Cell Atlas）及Seurat AddModuleScore完成。跨物种分析基于牛-人-猪11,547个一对一直系同源基因表达矩阵进行相关性热图绘制。
研究结果
Landscape of gene expression patterns across 166 bovine tissues（166个牛组织基因表达全景）
整合自建与公共数据获涵盖166组织23,899个高质量基因的表达矩阵。UMAP显示样本按组织身份聚类，脑与肝分离明显，小肠大肠相聚，生殖系统自成一簇。tau指数显示约1/3基因具组织偏好性表达，证实明显组织特异性。
Tissue-specific expression patterns across bovine tissues（牛各组织组织特异性基因表达模式）
以one-versus-all鉴定各组织TSG（log2FC > 1，adj. P < 0.05），每组织TSG数58～8,122个（均值1,861），胰腺最少、脑最多；高代谢活性组织（脑、乳腺、生殖器官）TSG数量更多。乳腺鉴定3,349个TSG，富集催乳素（prolactin）、生长激素、雌激素及孕酮介导的卵母细胞成熟通路，含经典酪蛋白基因CSN1S1、CSN2、CSN3、CSN1S2及ACACA，单细胞解卷积示其在腔上皮细胞高表达。肝1,983个TSG富集脂肪酸降解、氨基酸代谢、胆汁分泌，主要在肝细胞表达。前胃（瘤网瓣胃）共963个TSG富集氧化磷酸化、丙酸代谢，主要于棘细胞表达；皱胃（abomasum）TSG富集胃酸分泌通路（ATP4A、ATP4B、GAST）。小肠2,660个、大肠2,203个TSG共享免疫相关通路，小肠特有富集胰液/胆汁分泌、糖胺聚糖代谢，大肠富集矿物质吸收、脂肪消化吸收；小肠TSG主要在前体及肠干细胞高表达，大肠在肠上皮细胞高表达。下丘脑-垂体-生殖系（卵巢黄体输卵管子宫阴道）TSG聚簇邻近，构成HPG轴特征，下丘脑富集GnRH信号（VAX1、SIX6、SIX3），垂体含HESX1、PCSK1，卵巢含FSHR、ESR2、BMPR1B、BMP15，单细胞示卵巢/子宫/输卵管共有TSG在周细胞高表达。
Tissue scoring（性状关联组织模块评分）
基于Cattle QTLdb中990个已报道与5项产奶性状关联功能基因做模块评分，乳腺、肝脏、胆囊、肾脏对产奶量模块评分显著>0（P < 0.01），脑与胆囊对其它四项乳成分性状也呈显著正分，提示多器官协同参与产奶性状遗传信号。
Non-coding RNA expression patterns across bovine tissues（牛组织非编码RNA表达模式）
small RNA分析鉴定1,008个miRNA（418已知+590新），93.45%呈强组织偏向（tau > 0.8），脑特异miRNA最多（达246个）含进化保守的miR-219、miR-129、miR-653、miR-329b；miR-2284/2285家族在乳腺上皮偏好高表达。从99组织鉴定22,776条候选lncRNA，保留9,487条可定量，68.49%强组织偏向（tau > 0.8），组织特异lncRNA数以主动脉最高（O/E = 4.05），其cis靶基因富集细胞骨架相关通路。全组织鉴定209,368个独特circRNA（85.90%为外显子-内含子环EIciRNA），组织特异circRNA数2～289个/组织，脑特异circRNA宿主基因富集突触组装及兴奋性神经传递（GPR158、GABRA1）。乳腺构建ceRNA网络获CSN3/CSN1S1调控miRNA（miR-11972等）与竞争lncRNA（MSTRG.117537.3）、circRNA互作对。
Alternative splicing events（可变剪接事件）
rMATS鉴定105,859个AS事件（主要类型为SE与MXE），乳腺与肝脏AS最具代谢意义：ACACA、SCP2、PLIN2、ABCG2等在乳腺呈组织特异外显子跳跃/异构体偏好；SCP2在同基因座乳腺与肝脏优势异构体不同，提示组织依赖剪接。胃组织AS关联平滑肌收缩（TPM1、TPM3）及脂质处理（OSBPL8、VPS13B、LPIN1、PSAP）。肠组织AS关联消化吸收（VPS13B、PSAP）、上皮屏障（ADD3、MACF1/ACF7、CLSTN1、FLNA）及动力（MFF、TPM3）。
Alternative polyadenylation event analysis（可变多聚腺苷酸化事件分析）
DaPars+QAPA识别2,712基因共5,749个APA事件。乳腺中近端APA偏好基因（平均TPM较高）富集泛素介导蛋白酶解、内质网加工；远端APA偏好基因富集催乳素信号、孕酮介导卵母细胞成熟、脂解调节。肝脏近端APA基因富集细胞连接/黏附，远端APA富集Hippo/Wnt/TLR免疫信号且表达更高。瘤胃近端APA基因关联黏附连接/自噬/局灶黏附，远端APA关联内吞/碳水化合物及脂肪酸代谢。脑总APA事件最多，远端APA使用基因富集胆碱能/多巴胺能突触等神经传导通路。
Cross-species analysis（跨物种分析）
基于牛-人-猪11,547个一对一直系同源基因，同源组织（脑、肝、肾等）跨物种聚簇；例外为牛输卵管及卵泡、猪睾丸卵巢与脑而非子宫聚簇，牛子宫与乳腺聚簇，提示输卵管具HPG轴样激素响应程序。牛乳腺TSG中人-牛共有1,251个直系同源基因，三物种共有仅52个，牛特有乳腺TSG富集多梳蛋白（Polycomb group protein, PRC）组装及细胞周期通路，反映长期泌乳选择下的特化。
讨论与结论总结
讨论指出：乳腺与肝脏分别以乳合成直接器官和代谢支持器官互补参与产奶；瘤胃各亚区存营养吸收与免疫特化；脑及骨组织也对产奶性状具正向模块评分，佐证多器官协同。ncRNA中各组织具特异miRNA/lncRNA/circRNA并可形成ceRNA网络微调关键基因。同一基因（如ACACA）组织依赖剪接异构体反映器官代谢分工。APA在乳腺通过影响3'UTR长短及miRNA结合潜在调控乳相关基因，其它组织APA更多影响转录本稳定性与蛋白产出。研究局限含自建数据仅2头个体、短读长难获全长异构体、互作网络需实验验证。
结论翻译：通过整合184头成年荷斯坦牛598套RNA-seq数据集，研究人员构建了涵盖166个组织与23,899个高质量基因的奶牛全组织转录组图谱。鉴定出的组织特异性基因揭示了鲜明的组织代谢需求与生理特化，高活性组织（脑、乳腺及生殖器官）含有更多组织特异性基因；此类基因受广泛的非编码RNA互作网络调控。转录后水平观察到外显子跳跃与互斥外显子为各组织主要AS类型，脑基因偏好使用远端多聚腺苷酸化位点而其余组织近端位点使用普遍。牛-人-猪跨物种分析显示多数同源组织跨物种聚簇，有趣的是输卵管与HPG轴组织紧密聚簇，提示其可能作为次级激素响应器官。上述发现深化了对复杂性状形成机制的理解，对牛遗传改良、精准育种及比较生理学具重要意义。
