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反刍动物角的进化起源和发生发育机制

2019-06-25 09:22:18  来源:中国科学报

在西北农林科技大学的秦川牛新品系育种基地里,一头牛悠闲地坐在地上咀嚼,尖尖的牛角,在阳光的照耀下凸显着它“神圣不可侵犯”的地位。

像这类反刍动物,西北工业大学生态与环境保护研究中心教授、中国科学院昆明动物研究所研究员王文,西北工业大学教授邱强和与其合作的西北农林科技大学动物科技学院教授姜雨等团队,和它们打交道已有多年。

“牛羊鹿等这些草食动物大多没有尖牙利爪,角既是它们面对捕猎者的自卫工具,也是同类间争夺配偶和领地的主要工具。”姜雨告诉《中国科学报》,这些角是如何发展而来,形状为何五花八门。

6月22日,该联合团队从遗传学角度首次提出反刍动物的角具有相同的细胞起源——头部神经嵴干细胞,其发育过程利用了基本相同的基因调控通路,为反刍动物角具有单一的进化起源和发生发育机制提供了证据。

相关论文刊登于《科学》。

同样是角,为何差别这么大?

回到开头,这头牛其实并不在吃草,被饲养员“捧在手心里”的它早已吃饱喝足。为何还要“装模作样”地咀嚼食物?原来这都是“反刍”机制捣的鬼。

“这类动物采食非常迅速,稍加啃咬就立马吞下去了,但是它们吃的时候是没有嚼碎的,所以很多食物都没有消化。而它们的胃很特别,分为4个腔室,依次被称为瘤胃、网胃、瓣胃和皱胃。其中主要进行储存和消化植物纤维的是瘤胃,它可以像呕吐反射一样,将没有嚼碎的食物重新返回嘴里(反刍)。”姜雨说。

而在这些反刍动物中,除此独特的瘤胃外,其形状各异的骨质角更被认为是动物进化史上器官形状创新的奇迹。

王文告诉《中国科学报》,反刍动物是现存唯一具有骨质角的动物类群,且不同科的反刍动物具有不同形态的角。

王文介绍,“比如长颈鹿科的角由仅被皮肤和毛发覆盖的骨突组成;牛科的角也有一个骨质的核心,但被一个角质鞘所覆盖,终生生长,不分叉也不能再生;而鹿科动物的角则周期性脱落,每年再生一次,在生长阶段被称为鹿茸。它的生发组织在鹿茸上方,所以会分叉生长。生长停止后,鹿茸会钙化为鹿角,也没有角鞘。”

尤其是鹿科,其犄角具有极快的生长速度。

每年春季到夏季,新生长出的鹿角大约长为1~2米,而这就意味着平均一天就能增长1.7~2厘米,细胞分裂增殖速度甚至超过了癌组织的生长速度。

而更为有趣的,就是这犄角生长堪称“癌症速度”的鹿科动物,自身反而具有较低的癌症发生率,其患病概率仅占其他物种的1/5。

同样都是角,为何差别这么大?撇开颜值不说,凭什么鹿角还拥有这特殊的技能?

神奇鹿角开启抑癌新技能

为此,研究人员采用进化和比较基因组学手段,大数据比对寻找有角反刍动物与其他哺乳动物的基因组差异和角组织里表达的基因。

“首先我们要知道,这些角并不是本身连接头部的骨头,而是由组织产生的新器官。在发育过程中,它原本是一个独立的小细胞团,从神经嵴细胞迁移过来。”姜雨团队对这些物种新鲜的组织进行了转录组分析,并针对早期胚胎进行染色等生理生化实验。

实验发现,这些细胞逐步独立发育成犄角的核心骨骼,最终与头骨融为一体。

姜雨说:“就像婴儿出生时拥有多达305块骨头,但是随后部分骨头可能融合,比如颅骨会由十几块融合为6块。这说明细胞在分裂增殖过程中,它可以导致组织的融合。”

那么,为什么这些组织会发育成形状各异的角,甚至出现无角情况?实验人员对犄角组织基因组表达进行了分析。

通过比较不同类型的反刍动物基因组和多达270个转录组,团队发现羊角和鹿茸具有相似的基因表达模式,其特异高表达的基因主要募集来自在骨、皮肤、脑和睾丸组织表达的基因。

这些角组织特异高表达基因,连同一些快速进化基因都参与了神经嵴细胞迁移通路,而这就意味着,反刍动物的角可能具有相同的细胞“祖先”,即头部神经嵴干细胞。

“为什么有些动物没有角,很简单,因为它们基因‘坏了’。”姜雨说。

当然,最令科学家感兴趣的还是那神奇的鹿角,这种角极大引发了癌症研究者的兴趣。

邱强与王文联合团队研究发现,多个原癌基因通路在鹿角组织被激活并发生遗传改变,可能在调控鹿茸快速再生过程中发挥重要作用。

同时几个重要的抑癌基因也发生了鹿科特异的遗传改变,其可能强化了抑癌作用。

为什么鹿角能迅速增长且动物本身不易得癌?

邱强及其合作团队将针对证明快速受控的细胞生长的潜在机制进行研究,并对鹿角作为器官再生模型和癌症模型做进一步探索。

“这些将为癌症治疗和预防提供新的思路和方法。”邱强说。

从明天起,做一头温柔的牛

不过对于长期研究动物育种的姜雨来说,此项研究最大的收获还是有望培育出类似“无籽西瓜”等的新型变异反刍物种,譬如无角牛、无角羊等。

别看这些犄角平时威风得很,在畜牧生产中它们可不受欢迎。

“有些牛的角非常硕大锋利,用于对付天敌或互相争斗。它们不但在同类间可能造成互相伤害,也可能伤害工作人员。”姜雨说,“所以使用无角的牛羊进行畜牧生产,对于饲养员、挤奶工以及动物自身的安全非常重要,此外,无角的反刍动物还可以把用于长角的养分更多地用在产肉和产奶上。”

不过,想要选育出这类无角品种还面临着极大的挑战。一是种类尚未选育齐全。

虽然育种工作者投入大量精力选育无角的牛羊品种,利用基因编辑技术培育出了不会长角的黑白花奶牛,从而使小牛出生后无须经历被烙去牛角的痛苦过程,但用于山羊和绵羊基因编辑育种的无角突变至今还没有被确证。

其次,选育出的新品种也未必带来畜牧业增产。

“原本有角的奶牛若想选育成无角品种,需进行无角品种的杂交,但是杂交后其产奶量可能会降低,反而造成了损失。不过,一家美国基因编辑育种公司已经通过基因编辑对无角基因进行定点突变,获得高产奶量的无角黑白花奶牛。”姜雨说,为此团队正进一步探索影响无角绵羊和无角山羊的无角基因的定点突变并进行编辑。

王文表示,研究结果对于人类理解反刍动物的演化历史、再生医学、肿瘤生物学,以及培育新品种家畜都有重要意义。

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