整合多组学分析揭示藏羊表型变异的遗传基础

《Integrative Zoology》：Integrated Multi-Omics Analysis Reveals the Genetic Basis of Phenotypic Variation in Tibetan Sheep

　　

体尺寸是影响家养动物经济效益的关键经济性状。研究人员利用全基因组关联分析（genome-wide association studies, GWAS）鉴定了与藏羊群体体尺寸显著相关的5个单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphisms, SNPs），促进了分子育种，并为基因组选择提供了基础。这些SNP位于5个候选基因内。SNaPshot验证了GWAS结果，表明候选SNP与藏羊体尺寸性状之间存在显著相关性。同时，苏木精-伊红染色（hematoxylin and eosin staining, H&E）结合肌纤维分析，确认了不同体型的绵羊之间肌肉组织存在显著的形态学差异。因此，研究人员对雄性和雌性大体型和小体型藏羊的背最长肌（longest dorsi muscle, LDM）进行了转录组学和蛋白质组学分析。转录组学结合加权基因共表达网络分析（weighted gene co-expression network analysis, WGCNA）确定VEPH1和PRKG1是通过参与PI3K-Akt信号通路及与脂肪沉积相关的通路来调控藏羊体型特征的核心基因。整合分析表明，在两种性别的大体型和小体型藏羊肌肉中，CARNS1和CRYAB在转录水平和蛋白水平均存在显著差异表达，提示它们通过影响肌肉形态在体尺寸性状中发挥重要作用。本研究提供了有价值的基因组资源，推动了绵羊遗传学研究。

体尺寸是评价家养动物种质资源的重要指标，与产肉性能显著正相关，直接影响养殖业的盈利水平。藏羊作为青藏高原特有的优质遗传资源，对高海拔、慢性低氧、营养缺乏等极端环境具有出色的适应性，但其种质资源鉴定不足，严重限制了保种、遗传改良和分子育种。针对这一瓶颈，研究人员以藏羊为对象，采用多组学策略系统解析体型变异的遗传基础。该研究发表在《Integrative Zoology》上。研究人员通过全基因组关联分析、转录组和蛋白质组联合分析，鉴定了与藏羊体尺寸相关的关键位点和基因，揭示了体型性状的分子调控网络，为精准分子育种提供了可靠的分子标记和基因组资源。

在技术方法上，研究样本来源于青海省的92只藏羊，并结合已发表的115只藏羊数据，共计207只个体进行GWAS；另用346只母羊进行SNaPshot验证。依据体高百分位选取大体型（LST）和小体型（SST）极端个体，其中10只LST（公母各半）为本研究采样，SST样本及转录组、蛋白质组数据来自前期实验。主要技术包括全基因组测序、四种GWAS模型（GLM、MLM、SUPER、BLINK）、SNaPshot分型、H&E染色与肌纤维分析、RNA-seq、LC-MS/MS蛋白质组学、WGCNA以及多组学联合分析。这些方法相互验证，系统解析了从遗传变异到表型差异的分子链条。

研究结果如下：

3.1 表型数据统计：对207只藏羊的8个体尺寸性状进行统计，平均体重为48.48 kg，体高为72.69 cm，体长为70.96 cm，胸围为95.05 cm，胸宽为21.18 cm，胸深为34.78 cm，髋宽为15.79 cm，管围为7.81 cm。体重变异系数最高（29.19%），体高变异系数最低（9.62%）。相关性分析显示，体高与体长相关系数最高（0.846），胸宽与管围相关系数最低（0.204），且所有性状间均存在显著相关，提示体型发育存在协同调控机制。

3.2 全基因组测序数据：92只藏羊测序共产生2.55 Tb数据，平均Q20为96.95%，Q30为90.84%，GC含量无显著偏差。结合115只公共数据，共鉴定到48,987,423个SNP位点，突变类型以C>T和G>A转换为主。注释结果显示，52.42%的SNP位于基因间区，34.16%位于内含子区。

3.3 GWAS及关键遗传位点验证：采用四种GWAS算法交叉验证，共鉴定出771个与体尺寸显著相关的SNP（?log₁₀(p) > 5）。按性状划分，与体重、体高、体长、胸围、胸宽、胸深、髋宽和管围显著关联的位点数分别为67、32、18、30、19、50、458和97个。位于1、4、10、11和22号染色体上的SNP与髋宽、体长和胸深显著关联。基于物理位置注释，最终确定VEPH1、PRKG1、GRM8、PCDH9和ACOX1为候选基因。SNaPshot在346只母羊群体中验证，确认这些位点符合哈迪-温伯格平衡，且特定基因型（如VEPH1 T/T、PRKG1 G/A、GRM8 G等位基因等）与更大的胸围、胸深、体长、胸宽和体高显著相关。

3.4 屠宰性能测定：LST在体尺、活重、胴体重和眼肌面积上显著高于SST；LST母羊的背膘厚和GR值显著更高；而SST的肌纤维数量和肌纤维面积显著高于LST，LST母羊的肌纤维密度更高。结果表明，LST在体型和肉品质相关性状上表现更优，且肌肉形态差异是体型差异的重要组织学基础。

3.5 转录组分析：对LST和SST的背最长肌进行RNA-seq，公羊组鉴定出467个差异表达基因（DEGs），其中219个上调、248个下调；母羊组鉴定出828个DEGs，其中408个上调、420个下调。功能富集显示，DEGs显著富集于肌肉收缩、骨骼肌发育、PI3K-Akt信号通路和脂肪细胞脂解调节等通路。

3.6 WGCNA：基于转录组数据构建共表达网络，最优软阈值为14，共划分23个模块，其中17个模块与表型显著相关。turquoise模块与胸围强正相关，包含VEPH1及其互作基因MEGF11、GYPC、SLC16A4和PIK3R5，富集于PI3K-Akt和MAPK信号通路；purple模块与体高、体长、胸围和胸深负相关，与肌纤维面积正相关，含CRYAB；green模块与肌纤维周长负相关，含CARNS1。富集分析显示CRYAB参与内质网蛋白加工等通路，CARNS1富集于肌肽生物合成过程。

3.7 蛋白质组分析：共鉴定32,701条肽段和5,103个蛋白。公羊组有425个差异表达蛋白（DEPs），母羊组有230个。CARNS1在SST中上调，而CRYAB在LST中上调。富集分析显示DEPs显著富集于生长、蛋白脂化、糖脂代谢过程、细胞骨架蛋白结合，以及蛋白质消化吸收、组氨酸代谢和代谢通路。

3.8 联合分析：整合GWAS与转录组数据，确认PRKG1和VEPH1在基因组和转录水平均与体尺寸显著关联。转录组与蛋白质组相关性分析显示，公羊组Pearson相关系数为0.62，母羊组为0.88，共筛选出10个表达趋势一致的基因。其中，CARNS1和CRYAB在两种组学中均表现出显著差异，且处于共表达网络核心节点。其互作蛋白BAG3、PITX3、RPTOR、MCHR1和DGKB的转录水平也在两组间差异表达，提示这些基因可能通过蛋白质互作网络协同参与肌肉形态和体型调控。

讨论部分指出，GWAS鉴定的SNP位点在牛、猪等物种中也与体尺寸相关，表明其跨物种的保守性。VEPH1可能通过与PIK3R5等互作调控PI3K-Akt信号通路，影响成骨细胞增殖、肌原纤维分化和脂肪细胞分化。CRYAB与BAG3、PITX3的互作可能促进骨骼肌发育；CARNS1通过RPTOR、MCHR1、DGKB参与代谢调控，共同影响藏羊的体型和产肉性能。转录组与蛋白质组不完全一致的现象体现了翻译效率、蛋白降解等转录后调控机制的重要性，也凸显了多组学整合的优势。研究结论部分翻译如下：总之，研究人员通过综合分析鉴定了影响藏羊体型的遗传变异和基因。通过GWAS结合群体验证，在候选基因中鉴定出5个与藏羊体尺寸显著相关的SNP。转录组和WGCNA进一步证实PRKG1和VEPH1参与LST和SST的肌肉形态差异。此外，CARNS1和CRYAB及其互作蛋白可能促成LST与SST的肌肉形态差异。通过基于基因组学、转录组学和蛋白质组学的整合多组学数据分析，研究人员系统研究了与绵羊体尺寸性状相关的关键功能基因及其调控网络，并阐明了绵羊关键表型性状的遗传机制，为推进绵羊遗传学研究提供了宝贵的基因组资源。