宋志芳 邢荷岩 解佑志 芦春莲 曹洪战

（河北农业大学动物科技学院，河北保定071000）

动物功能基因组学研究进展

宋志芳 邢荷岩 解佑志 芦春莲 曹洪战*

（河北农业大学动物科技学院，河北保定071000）

随着基因学的发展，研究方向已经从结构基因组学逐步转向功能基因组学，进入了后基因组时代，揭秘基因的生物学功能，能够批量分析基因，提高效率。功能基因组学在动物领域的研究已经取得了一定的成果。本文主要对功能基因组学的概念、研究方法以及动物功能基因组学的研究进展进行综述。

功能基因组学；基因组学；基因表达；比较基因组学

20世纪80年代，Thoms和Roderick提出基因组学的概念[1]，即对基因组进行绘图和测序分析来研究生物的基因组。基因组学前期主要以在全基因组、全细胞等生物整体水平检测蛋白质、核酸和多糖等为目标，称为结构基因组学。随着测序工作的完成，功能基因组学成为研究的焦点，研究方向过渡到从基因组信息与外界环境关系的角度来阐述基因的功能。基因测序、全基因组重测序和基因芯片等生物技术的出现，为基因功能分析积累了大量资料，使得能从单个基因或蛋白质的研究延伸到系统水平的全部基因或蛋白质，深入发掘基因的生物学功能。功能基因组学在动物学领域已经取得了很多研究成果，为动物育种奠定了基础。本文主要对功能基因组学的概念、研究方法以及鸡、牛和猪等功能基因学的研究进展进行阐述。

1 功能基因组学概述

1.1 功能基因组学的相关概念

基因组（genome）概念最早在1924年被提出，泛指某生命体、病毒或细胞器的所有遗传物质[2]。对真核生物而言，基因组就是一套染色体DNA。

基因组学（genom ics）概念最早在1986年由美国科学家提出[3]，指借助DNA测序技术、DNA绘图及相关计算机软件等，实现基因定位，并分析基因组的结构和功能。基因组学可分为结构基因组学（structure genom ics）、功能基因组学（functionalgenom ics）和比较基因组学（comparative genom ics）三个分支。

结构基因组学以全基因组测序为目标，绘制整个基因组的物理图谱、转录图谱、遗传图谱和序列图谱，通过基因绘图和核苷酸序列分析来确定基因的组成和定位。研究目标和内容主要包括：测定一些很有可能包括所有折叠类型的蛋白和测定果蝇等模式生物的蛋白质结构，是基因组学研究的一个重要领域。

功能基因组学又被称为后基因组学，利用结构基因组提供的信息，分析和研究整个基因组内所含基因和非基因序列的功能，已经发展成系统地研究多个基因或蛋白质的功能，分析基因的生物学功能、细胞学功能和发育学功能等。研究目标主要包括发现基因功能、分析基因表达模式和突变检测以及从基因组水平阐述基因的规律等。

比较基因组学基于基因组图谱和测序，对已知基因和基因结构进行序列和结构比对，以了解基因的功能、表达调控机制和物种进化等[4]。

1.2 功能基因组学的研究内容

基因在不同个体、不同组织和不同器官的表达存在差异，这种基因表达差异性是进行基因分析的基础。利用单核苷酸多态性（SNPs）分析、表达序列标签（ESTs）分析、基因表达的序列分析（SAGE）、DNA芯片和RNA干扰（RNAi）等功能基因组方法发掘和了解基因功能。研究内容包括以下方面。

1.2.1 基因功能

功能基因组学研究的主要内容之一是基因生物学功能（如某些蛋白质作为酶类能催化机体的物质代谢反应）、发育学功能（如参与机体形态发生过程）和细胞学功能（如参与细胞内和细胞间的细胞转导）的研究[5]。研究基因功能有助于了解基因的生理机制和作用机理。基因功能分析的方法是使用相关软件（Blast）对Gen-Bank、NCBI和Ensemb l等数据库中已分布的基因序列进行同源比对，主要分析研究基因的时空表达模式、在亚细胞内的定位和转录后调控、基因的丢失或过表达分析以及受环境影响基因的表达差异等[6]，以全面研究、探索基因的表达差异和功能以及探索新基因。

1.2.2 基因组的表达和时空调控

基因在不同组织、不同状态和不同发育阶段的表达量和表达水平存在差异。随着人类基因组计划的提出和实施，出现了基因组学。随后，猪、牛、羊和鸡等家畜、家禽的基因组陆续出现，并实施了动物基因组计划以提高动物生产效率，促进畜牧业的发展。

1.2.3 研究蛋白质组和蛋白质组学

在生命科学领域，基因表达的生物学功能是其蛋白质在细胞水平的体现，因此研究蛋白质也是功能基因组学研究的内容之一。1995年，Wasinger等[7]认为蛋白质组是基因编码的全部蛋白质。蛋白质组学是研究细胞内所有蛋白质及其变化规律的科学，研究内容包括蛋白质的鉴定、修饰后翻译、蛋白质功能确定和表达模式等，进而揭示生命活动的规律。目前生命科学已经进入后基因组时代，研究单个蛋白质已无法满足时代的需求。因此，蛋白质组学是后基因组研究的核心内容之一。虽然我国在重大疾病（如肿瘤和癌症）等方面发现了一些与之相关的蛋白，取得了一定的研究成果，但仍有很多问题需要突破。

功能基因组学的内容还包括基因组多样性研究（有助于研究生命起源、进化和动物迁徙以及生物医学）和模式生物体的基因组研究（已建立了酵母菌等微生物模型、哺乳动物模型、转基因和基因敲除小鼠模型、果蝇、秀丽新杆线虫模型和非洲爪蟾模型等）。总之，功能基因组学的研究为揭示基因功能和调控机制提供了理论基础。

2 畜禽功能基因组学研究进展

2.1 鸡的功能基因组学研究

2004年完成了鸡基因组测序草图，开始了鸡功能基因组学的研究，是畜禽中第一个完成全基因组序列测定的物种。Cogburn等[8]根据基因组草图推测出鸡大约有2万个功能基因，并建立了EST数据库，用于研究鸡已知基因的功能、表达和发现新基因等。Morgan[9]、Bliss和Dalloul等利用基因芯片和高通量测序等功能基因组检测技术进行鸡免疫系统方面的研究，全面分析机体抵御细菌感染的机理。此外，有关鸡神经分泌系统和代谢系统的基因组研究也取得了一些进展，发现了一些与之相关的基因及其表达水平和差异，但是缺乏系统的研究，没有形成详细的网络，仍需进一步完善。20世纪90年代，开始研究鸡的蛋白质组学，研究整体蛋白质的表达调控、蛋白质动态相互作用和蛋白质活性等。作为鸡蛋白质组学研究的创始人，Beynon最先研究了其肌肉蛋白动力学，为研究蛋白质表达量的动态变化提供了可能。鸡功能基因组学的研究，为深入了解生产、繁殖和生长代谢问题提供了基础，进而提高了鸡的生产性能。

2.2 牛的功能基因组学研究

2003年计划绘制牛的基因组图谱，2009年完成了海福特牛的基因测序（牛至少有2.2万个基因），不仅有利于了解牛疾病的遗传机理，还有利于培育肉质好或产奶量高的品种。此后，对牛的基因组进行重测序，利用定制SNP芯片分析牛的遗传变异，为加速优良品种的遗传选育和遗传多样性的发掘提供了基础。基因组选择和全基因组关联分析的研究发现与肉质、产奶量、繁殖力和抗病性等有关的基因，同时也是研究牛进化的研究手段。Daetwyler等结合234头牛的全基因组序列测定和关联分析方法，定位了与牛健康和生产性状有关的基因和变异位点（如SMC2基因突变导致胚胎死亡）。Qanbari等发现KIT、MC1R、NRG4、TMEM132D和TAS2R16等与毛色、性情有关的基因在进化中受到选择，同时表明了外观是动物驯化过程中的一个重要性状。已有很多与牛大理石花纹、嫩度和肌肉类型等肉质性状有关的功能基因组学的研究成果，促进了牛肉质性状的遗传改良，提高了经济效益。例如，钙蛋白酶基因是影响肉质嫩度的主效基因，CAPN1、CAPN3和CAST基因也与嫩度有关。

2.3 猪的功能基因组学研究进展

猪是一种重要的家畜，基因组序列受到驯化和育种方法的影响。猪的全基因组序列于2012年被公布，组装后的基因组全长为2.60 Gb，包括21 640个编码基因。随后，民猪、梅山猪等猪种的基因组序列也被测定，丰富了基因组信息，为猪功能基因组学的研究提供了庞大的资源库。Rubin等利用全基因组重测序技术发现NR6A1、PLAG1以及LCORL 3个基因与欧洲家猪变长和椎骨数增加有关。基因芯片和全基因组重测序技术充分利用基因信息，结合序列比对和功能基因组分析方法等，找到影响猪肉质、生长、繁殖和抵抗力等性状的相关基因和变异位点，并分析其功能。如钱源等分析莱芜猪PID1基因的结构和功能，发现其与胰岛素信号途径有关，作用于糖和脂肪代谢。

2.4 其他畜禽的功能基因组研究进展

山羊和绵羊的基因组序列分别于2012和2014年由华大基因和中国科学院的研究人员公布。基因组序列被公布后，展开了山羊和绵羊分化、羊绒纤维结构基因、免疫力、产奶量和胚胎发育速度等方面的研究，取得了一些研究成果，发现了与之相关的基因和基因功能，也为揭示动物进化和驯化机制提供了信息。鸭和鹅的基因组草图分别于2013年和2015年被公布（鸭有15 065个基因，鹅有19 144个基因）。目前，其功能基因组学研究尚未深入，需要充分利用基因信息进一步发掘鸭和鹅的基因及基因功能。

3 小结

自畜禽的基因组序列陆续被公布后，就从结构基因组学向功能基因组学过渡，展开了大量基因功能的研究，找到了与性状、健康和进化等有关的基因和遗传位点等，为动物性状的遗传改良和揭示生命活动规律提供了基础。根据发现的基因、SNPs和QTLs等，有助于分子育种加速性状改良的遗传进展。随着功能基因组检测技术和分析方法的发展，会获得品质更加优良的畜禽品种，不断满足人类的需要。

[1]景岚,康振生,韩青梅.基因组学在植物病理学中的应用[J].西北农业学报,2004,13(4):63-68.

[2]解涛,梁卫平,丁达夫.后基因组时代的基因组功能注视[J].生物化学与生物物理进展,2000,27(2):166-170.

[3]Hieter P,BoguskiM.Functionalgenom ics:it's allhow you read it[J].Science,1997,278(5338):601-602.

[4]李伟,印莉萍.基因组学相关概念及其研究进展[J].生物学通报,2000,35(11):1-3.

[5]李子银,陈受宜.植物的功能基因组学研究进展[J].遗传, 2000,22(1):57-60.

[6]庄金秋,杨丽梅,贾杏林.功能基因组学研究概述[J].中国生物工程杂志,2005(S1):204-209.

[7]Wasinger VC,CordwellSJ,Cerpa-Poljak A,etal.Prog ress with gene-p roduct m app ing of the Mollicutes:Mycop lasm a genitalium[J].Electrophoresis,1995,16(7):1090-1094.

[8]Cogburn LA,Wang X,Carre W,et al.System s-wide chicken DNA m icroarrays,gene exp ression p ro filing,and d iscovery of functional genes[J].Pou ltry Science,2003,82(6): 939-951.

[9]Morgan RW,So fer L,Anderson AS,et al.Induction of host gene exp ression follow ing in fection of chicken em b ryo fib rob lasts w ith oncogenic Marek's d isease virus[J].Journa l of Virology,2000,75(1):533-539.

（部分参考文献略，需者可函索）

Q343.1

A

1673-4645(2017)06-0069-03

2017-04-07

河北省科技计划项目“深县猪新品系的选育”（15226301D）

宋志芳（1992-），女，山东菏泽人，研究生，研究方向为动物遗传育种，E-m ail：18730285576@163.com

*通讯作者：曹洪战（1970-），男，河北藁城人，博士，教授，博士研究生导师，研究方向为养猪生产、动物遗传育种与繁殖，E-m ail：chz516@126.com