近日，西北农林科技大学动物科技学院罗军教授研究团队在国际顶级期刊《International Journal of Biological Macromolecules》（IF=7.7）上发表了题为“Chromosome-level dairy goat genome reveals the regulatory landscape of lactation”的研究论文。本研究为奶山羊构建了一个染色体水平的基因组组装，基因组大小为2.63Gb，contig N50为43Mb，scaffold N50为101Mb。基因组质量比较表明，奶山羊基因组比已发表的山羊和绵羊基因组具有更高的完整性和连续性，比较基因组结合表观多组学分析阐明了奶山羊的适应性进化机制。本研究不仅为奶山羊提供了第一个染色体水平的参考基因组，而且为乳制品生产和遗传改良提供了潜在的研究方向。菲沙基因承担了该研究中的测序相关工作。
奶山羊是有蹄目洞角反刍科山羊属哺乳动物，是人类最早驯化的奶畜品种，在世界各大洲均有分布。奶山羊以产奶为主，产奶性能稳定，产奶量高，奶质优良，营养价值较高，而且脂肪球小，酪蛋白结构与人奶相似，酸值低，比牛奶易为人体吸收，是婴幼儿、老人、病人的营养佳品，是特殊工种、兵种的保健食品，而且适合人类使用。奶山羊对精料需求少，饲料来源广、繁殖率高、适应性强，容易饲养。
高质量奶山羊基因组组装和注释
研究者使用Illumina(~106X)、ONT(~116X)以及Hi-C技术，成功组装了奶山羊基因组，基因组大小为2.63 Gb，contig N50为43 Mb，scaffold N50为101 Mb，质量优于之前发表的奶山羊和绵羊基因组（图1）。基因组完整性评估显示，该基因组包含93.8%完整且单拷贝的基因，以及0.6%完整且重复的基因，缺失基因比例仅为2.9%。研究人员对基因组进行了注释，识别了24,207个高质量的蛋白质编码基因，并注释了lncRNA、miRNA、rRNA、snRNA和sRNA等非编码RNA基因。重复序列分析显示，转座元件（TEs）占据了基因组的大约46%。
图1 奶山羊参考基因组组装
奶山羊基因组中的Hox基因簇
研究者比较了奶山羊、绵羊和牛的Hox基因簇，发现三种物种都含有四个Hox基因簇，每个簇包含多个基因（图2）。奶山羊基因组中注释了与乳腺发育相关的HOXA10基因，而绵羊基因组中未发现该基因，这可能是奶山羊比绵羊产奶量更高的原因之一。
图2 奶山羊基因组中的 HOX 基因簇
比较基因组分析
研究者将奶山羊基因组与其他八种物种的基因组进行了比较，发现奶山羊基因组中存在基因家族的扩张和收缩，扩张的基因家族主要与代谢、免疫、乳腺发育和繁殖等功能相关。正选择分析揭示了奶山羊基因组中531个基因经历了正选择，这些基因主要与免疫、代谢和生物合成过程相关。
图3 基因家族的进化
乳蛋白基因网络的保守性
研究者分析了奶山羊乳腺组织中脂肪酸代谢相关基因的相互作用，发现FASN、SCD、ACC等基因在乳腺发育和泌乳过程中发挥重要作用。RNA-seq分析揭示了泌乳期不同阶段基因表达的动态变化，FASN、SCD、CD36等基因在泌乳高峰期表达上调，CSNIS1和CSN2等基因在泌乳高峰期也表达上调。转录因子分析发现SREBF1、PPARG等转录因子在泌乳高峰期表达上调，并与乳脂代谢相关。
图4 奶山羊泌乳基因网络
泌乳的调控景观
研究者通过H3K27ac和H3K4me3 ChIP-seq分析，揭示了泌乳期基因组范围内活性增强子的分布情况。差异分析发现H3K27ac和H3K4me3在泌乳高峰期富集，并主要位于启动子和基因间区域。多组学分析揭示了FASN、FABP3、ACSS2等基因在泌乳高峰期表达上调，并受H3K27ac富集的增强子调控。增强子保守性分析显示，FASN、STAT5A、RHBDF2等基因的增强子在反刍动物中高度保守。增强子顺式作用元件分析揭示了STAT5、FoxO1、SMAD3等转录因子结合位点的富集，并构建了转录因子互作网络。
图5 奶山羊泌乳高峰期的全基因组 H3K27ac 表观遗传特征
本研究成功组装了高质量的奶山羊染色体水平参考基因组，并对其进行了注释和分析。研究结果揭示了奶山羊基因组进化、适应性特征以及泌乳调控机制，为奶山羊育种和泌乳性状的基因组选择提供了重要的理论基础。
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撰稿 | 王昕
审核 | 郭孟齐
