韩浩园，黄永震，党瑞华，梁小军，蓝贤勇，陈 宏，雷初朝*

(1.西北农林科技大学动物科技学院，陕西 杨凌 712100；2. 宁夏农林科学院动物科学研究所，宁夏 银川 750002)



牛畸形遗传病的分子遗传机制研究进展

韩浩园1，黄永震1，党瑞华1，梁小军2，蓝贤勇1，陈 宏1，雷初朝1*

(1.西北农林科技大学动物科技学院，陕西 杨凌 712100；2. 宁夏农林科学院动物科学研究所，宁夏 银川 750002)

本文综述了牛畸形遗传病的表现、种类及遗传方式。对6种牛畸形遗传病，即：牛蜘蛛腿综合征、牛脊椎畸形综合征、牛并趾症、牛短脊椎综合征、牛侏儒症、牛畸角的表型、分子遗传机制的最新研究进展进行了概述。这些进展对了解和研究我国牛的畸形遗传病具有重要参考价值。

牛；畸形综合征；分子机制；研究进展

牛畸形遗传病是指DNA遗传物质的改变导致牛出现身体骨骼结构畸形或功能障碍，且可以遗传的疾病。在过去50年里，由于有效应用基于数量遗传学的育种方案，牛的生产性能有了大幅度的提高。高强度的选择，加上人工授精技术的普及和应用，极大地提高了牛产业的经济效益，但随之而来的问题是，牛群的近交系数逐渐增大，群体有效含量逐渐降低，因此养牛业面临着遗传病的定期暴发。家畜育种中，尤其是在以人工授精技术广泛应用的牛育种中，分析并淘汰引起牛遗传病的有害基因尤为重要。本文综述了牛蜘蛛腿综合征、牛脊椎畸形综合征、牛并趾症、牛短脊椎综合征、牛侏儒症、牛畸角的分子遗传机制的最新研究进展。

1 牛蜘蛛腿综合征

牛蜘蛛腿综合征(Arachnomelia syndrome，AS)是一种主要在欧洲瑞士褐牛和德系西门塔尔牛群体中出现的以骨骼畸形为病理特征的先天致死性遗传病，由于患病犊牛外观像蜘蛛而得名。该病于1975 年由德国科学家Rieck和Schade最早报道[1]。

患病犊牛出生时已死亡或出生后不久死亡，患病犊牛体重较轻，头部、背部和四肢的骨骼均表现畸形。主要特征是：(1)头部畸形，包括下颌骨短，上颌骨向下凹陷，上颌前端呈圆锥形，并向上微微翘起；(2)背部畸形，脊柱向背侧弯曲，呈“蜷缩驼背”状态。但是肋骨和肩胛骨正常；(3)四肢僵直，骨骼畸形，后肢畸形尤为严重，掌骨和跖骨向内侧弯曲与身体平行或呈一定角度。长骨骨干比正常犊牛细而脆弱，骨端正常，即所谓的“蜘蛛腿”，经常伴有自发性骨折，在分娩过程中可能会伤害母牛产道，腿部肌肉有萎缩现象。患病犊牛长骨的外径和内径偏小，但是骨密质部分宽度未发生改变。患病个体一般都同时存在3种上述部位的畸形，不单独出现某个症状。

系谱分析推断患有牛蜘蛛腿综合症的瑞士褐牛个体均来自美国Norvic Larry牛场的瑞士褐牛公牛LILASON[2]。患病德系西门塔尔牛则都可以追溯到同一头公牛Semper。系谱分析后证实该病在两个群体中均属于常染色体隐性遗传病。但是两个群体AS的定位结果不同，推测可能存在不同的突变机制。瑞士褐牛AS是由5号染色体SUOX(Sulfite oxidase)基因外显子4插入一个G碱基(c.363-364insG)所致，该插入突变会导致SUOX蛋白的氨基酸序列124位置发生移码突变，且由于该移码突变导致提前产生终止密码子[3]。而西门塔尔牛的AS是由牛23号染色体的MOCS1(Molybdenumcofactorsynthesisstep1)基因外显子11的一个2 bp缺失突变(c.1224_1225delCA)引起，预测该突变将造成移码突变，产生不成熟的短链蛋白，进而引起MOCS1A蛋白的功能丧失[4]。目前已建立了一种荧光自动化检测方法，能够对引起西门塔尔牛和瑞士褐牛蜘蛛腿综合征的两个突变位点进行同时检测。

2 牛脊椎畸形综合征

牛脊柱畸形综合征(Complex vertebral malformation，CVM)是近年来新发现的致死性牛常染色体隐性遗传缺陷病[5]，1999年，丹麦科学家Agerholm最先报道了该病的发生[5]，随后在美国[6]、英国[7]、日本[8]等国家的荷斯坦牛群中也发现了CVM的存在。CVM主要表现为胎儿流产、死胎、早产，多见于妊娠260 d前的流产，严重影响荷斯坦牛的繁殖力，延长产犊间隔，产奶量下降，返情率升高，增加母牛淘汰率[9,10]，造成严重的经济损失。CVM纯合子病牛出现胸、颈椎缩短，大量椎骨愈合且脊柱侧凸，前肢腕关节对称弯曲等症状[11,12]，但CVM携带者表现正常。该病可追溯至美国著名公牛Carlin-M. Ivanhoe. Bell(US1667366)的父亲Penstate Ivanhoe Star(US1441440)。其家系在世界荷斯坦牛育种中被广泛应用，导致CVM遗传缺陷基因在全世界范围的扩散。

Thomsen等[13]证实牛CVM的发生是由于SLC35A3(Solutecarrierfamily35member3，溶质转运家族35-3)基因第4外显子559处发生G→T突变，导致180处缬氨酸置换为苯丙氨酸，致使异常的核苷酸糖转运到高尔基体。根据这一突变位点，已建立PCR-PIRA(polymerase chain reaction-primer introduced restriction analysis, 聚合酶链式反应-引物诱导限制性分析法)、PCR-SSCP(Polymerase Chain Reaction-Single Strand Conformation Polymorphism，聚合酶链式反应-单链构象多态性检测)、AS-PCR(allele-specific PCR，等位基因特异性聚合酶链式反应)检测方法来检测牛群的CVM[14-16]。

3 牛并趾症

牛并趾症(syndactyly)，也称为骡蹄症(Mule foot，MF)，是一种常染色体隐性遗传病，但在不同品种中表现不同的外显率，感染者一般一个或多个蹄均可表现骡蹄症。1967年最早报道牛并趾症，目前已经在多个牛品种中发现该症，但大部分都发生在美国荷斯坦牛中。骡蹄症携带者的共同祖先是“Wayne Spring Fond Apollo”(注册号：159582)，出生于1970年，曾经是金牌公牛。

荷斯坦母牛患病个体15号染色体的LPR4(LowDensityLipoproteinReceptor-relatedProtein4，低密度脂蛋白受体结合蛋白)基因第33外显子发生两个连续的碱基突变(C4863A、G4864T)，导致LRP4蛋白的两个密码子发生改变，从而改变保守的类表皮样生长因子蛋白的结构[17]。

4 牛短脊椎综合征

牛短脊椎综合征(Brachyspina)是一种单一常染色体隐性遗传缺陷。该症携带者的祖先是Sweet Heaven Tradition 1682485和其儿子Bis-May Tradition Cleitus 1879085。患病犊牛体重严重减少，脊椎缩短，四肢细长。脑断层扫描显示，牛脊椎畸形，相邻椎体骨骺完全或部分融合，在一些部位，由于没有骨骺和椎间盘，骨干相邻椎体融合，出现附肢骨骼内骨骺的骨化过程紊乱。此外，尸体剖检也发现牛肾脏、睾丸、心脏出现畸形。牛短脊椎综合征是由21号染色体的FANCI(Fanconianemia,complementationgroupI，范可尼贫血相关蛋白I)基因突变引起的。横跨FANCI基因第25到27外显子处出现一段3.3 kb的片段缺失，该缺失引起编码的氨基酸移码，将451个泛素氨基酸肽链替换为26个残留的无效肽链，并且使外显子28的终止子引起无义RNA衰变，导致蛋白表达异常，组织发育紊乱[18]。

5 牛侏儒症

牛侏儒症(Chondrodysplastic Dwarfism，CD)为软骨发育异常、软骨发育不良和软骨营养不良导致的侏儒表型，主要表现为新生犊牛四肢短、体型矮小，全身骨骼发育缺陷，四肢、头部、脊椎缩短或畸形等。

牛侏儒症主要是由基因缺陷，影响软骨形成和发育，导致不正常的骨骼形态和结构。微效多基因多位点突变导致软骨基质发育不良，骨骺生长盘部分消失引起长骨末端内软骨骨化不完全[19]。德克特牛中的侏儒症是由ACAN(Aggrecan，蛋白多糖)基因编码区的4 bp插入引起的[20]。牛侏儒症属于不完全显性遗传，杂合子牛的侏儒表型不明显，而纯合子牛表现出严重的不成比例的侏儒症，通常在妊娠期死亡。安格斯牛中的侏儒症与PRKGR基因突变有关[21]。褐毛和牛中的侏儒症是由EVC2(EllisvanCreveldsyndrome2)基因突变引起的[22]。提洛尔灰牛中的侏儒症也是由EVC2基因突变引起的，为隐性遗传，外显子19的2 bp缺失使翻译提前终止，导致软骨发育受阻和侏儒症的发生[23]。

6 牛畸角

牛除了有角与无角之外，还有一种介于有角和无角之间的突变类型，俗称畸角(scurs)，是于1936年首先发现的[24]。牛的畸角和角的发育部位是一致的，形成物质也基本相同，都是由表皮分化的角质物形成。但是畸角一般不能形成完整形态的角，故称为畸角，其最大的差别是畸角直接与表皮相连，而正常角与头骨的连接比较稳固。

对于其遗传机制，研究发现安格斯牛和加罗韦牛的畸角性状可能是一种伴性遗传，其具体的遗传机制目前尚不明确[25,26]。加拿大畸角牛的畸角基因可能位于19号染色体[27]，法国夏洛莱牛的畸角性状基因定位于4号染色体[28]。畸角的遗传机制比较复杂，目前对畸角突变的来源及突变位点在基因组中的确切位置还不清楚。

7 中国牛畸形遗传病的研究现状

以上所述6种牛畸形遗传病，在中国牛群体中仅对牛蜘蛛腿综合征、牛脊椎畸形综合征和牛短脊椎综合征进行了遗传缺陷检测。通过对新疆褐牛常用公牛和母牛核心群中的牛蜘蛛腿综合征的遗传检测发现，被检测牛群不存在牛蜘蛛腿综合征的致病等位基因，说明该群体不存在传播牛蜘蛛腿综合征的风险[29,30]。对北京荷斯坦牛脊椎畸形综合征遗传缺陷检测表明，荷斯坦母牛CVM携带者为21头，携带率为3.80%，有害基因频率为1.90%。通过系谱分析，15头CVM携带者为Carlin-M Ivanhoe Bell(USA1667366)的后代[31]。对另一北京荷斯坦种公牛和母牛CVM遗传检测表明，其CVM缺陷基因频率分别为4.41%和2.85%。通过系谱追踪发现，CVM遗传缺陷的共同祖先是美国名牛“Penstate Ivanhoe Star(USA. 1441440，CV)”[32]。而对北京密云地区的荷斯坦母牛进行研究，未发现脊椎畸形综合征遗传缺陷基因的携带者[33]。对北京地区636头荷斯坦母牛的短脊椎综合征的研究表明，其有害遗传缺陷基因的携带率为6.8%，有害等位基因频率为3.4%，通过系谱追踪发现，BS遗传缺陷可追溯到美国一头非常优秀的公牛Sweet Haven Tradition(USAM1682485，BY)，其后代在我国有一定的影响[34]。

牛畸形遗传病会对于牛业发展造成巨大打击，因此对我国牛畸形遗传病的研究、候选基因的确定及遗传缺陷检测，可以为牛遗传缺陷的监控和合理选种选配提供科学依据。因此，防止牛畸形遗传病携带者个体之间的交配，减少经济损失，对于对我国牛产业的健康发展十分必要，具有重要实践意义。

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The Advancement of Genetic Mechanism of Bovine Malformation Syndrome

HAN Hao-yuan1, HUANG Yong-zhen1, DANG Rui-hua1, LIANG Xiao-jun2, LAN Xian-yong1, CHEN Hong1, LEI Chu-zhao1

(1.CollegeofAnimalScienceandTechnology,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.InstituteofAnimalScience,NingxiaA&FAcademy,Yinchuan,Ningxia, 750002,China)

The phenotype, performance, and inheritance of bovine malformation syndrome, including arachnomelia syndrome, complex vertebral malformation, syndactyly, brachyspina, chondrodysplastic dwarfism, and scurs were summaried here. This is valuable for a better understanding of bovine malfomation syndrome in China.

cattle; malformation syndrome; molecular mechanism; advancement

7-03-10

2017-04-03

国家肉牛牦牛产业技术体系(CARS-38)资助。

韩浩园(1990-)，女，山东青岛人，博士生，主要从事动物遗传资源研究。

*通讯作者：雷初朝(1968-)，男，湖南常宁人，教授，博士生导师，主要从事牛遗传资源研究。

S823

A

1001-9111(2017)03-0042-04