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反芻動物角的進化起源和發生發育機制

2019-06-25 09:22:18  來源:中國科學報

在西北農林科技大學的秦川牛新品系育種基地里,一頭牛悠閑地坐在地上咀嚼,尖尖的牛角,在陽光的照耀下凸顯著它“神圣不可侵犯”的地位。

像這類反芻動物,西北工業大學生態與環境保護研究中心教授、中國科學院昆明動物研究所研究員王文,西北工業大學教授邱強和與其合作的西北農林科技大學動物科技學院教授姜雨等團隊,和它們打交道已有多年。

“牛羊鹿等這些草食動物大多沒有尖牙利爪,角既是它們面對捕獵者的自衛工具,也是同類間爭奪配偶和領地的主要工具。”姜雨告訴《中國科學報》,這些角是如何發展而來,形狀為何五花八門。

6月22日,該聯合團隊從遺傳學角度首次提出反芻動物的角具有相同的細胞起源——頭部神經嵴干細胞,其發育過程利用了基本相同的基因調控通路,為反芻動物角具有單一的進化起源和發生發育機制提供了證據。

相關論文刊登于《科學》。

同樣是角,為何差別這么大?

回到開頭,這頭牛其實并不在吃草,被飼養員“捧在手心里”的它早已吃飽喝足。為何還要“裝模作樣”地咀嚼食物?原來這都是“反芻”機制搗的鬼。

“這類動物采食非常迅速,稍加啃咬就立馬吞下去了,但是它們吃的時候是沒有嚼碎的,所以很多食物都沒有消化。而它們的胃很特別,分為4個腔室,依次被稱為瘤胃、網胃、瓣胃和皺胃。其中主要進行儲存和消化植物纖維的是瘤胃,它可以像嘔吐反射一樣,將沒有嚼碎的食物重新返回嘴里(反芻)。”姜雨說。

而在這些反芻動物中,除此獨特的瘤胃外,其形狀各異的骨質角更被認為是動物進化史上器官形狀創新的奇跡。

王文告訴《中國科學報》,反芻動物是現存唯一具有骨質角的動物類群,且不同科的反芻動物具有不同形態的角。

王文介紹,“比如長頸鹿科的角由僅被皮膚和毛發覆蓋的骨突組成;牛科的角也有一個骨質的核心,但被一個角質鞘所覆蓋,終生生長,不分叉也不能再生;而鹿科動物的角則周期性脫落,每年再生一次,在生長階段被稱為鹿茸。它的生發組織在鹿茸上方,所以會分叉生長。生長停止后,鹿茸會鈣化為鹿角,也沒有角鞘。”

尤其是鹿科,其犄角具有極快的生長速度。

每年春季到夏季,新生長出的鹿角大約長為1~2米,而這就意味著平均一天就能增長1.7~2厘米,細胞分裂增殖速度甚至超過了癌組織的生長速度。

而更為有趣的,就是這犄角生長堪稱“癌癥速度”的鹿科動物,自身反而具有較低的癌癥發生率,其患病概率僅占其他物種的1/5。

同樣都是角,為何差別這么大?撇開顏值不說,憑什么鹿角還擁有這特殊的技能?

神奇鹿角開啟抑癌新技能

為此,研究人員采用進化和比較基因組學手段,大數據比對尋找有角反芻動物與其他哺乳動物的基因組差異和角組織里表達的基因。

“首先我們要知道,這些角并不是本身連接頭部的骨頭,而是由組織產生的新器官。在發育過程中,它原本是一個獨立的小細胞團,從神經嵴細胞遷移過來。”姜雨團隊對這些物種新鮮的組織進行了轉錄組分析,并針對早期胚胎進行染色等生理生化實驗。

實驗發現,這些細胞逐步獨立發育成犄角的核心骨骼,最終與頭骨融為一體。

姜雨說:“就像嬰兒出生時擁有多達305塊骨頭,但是隨后部分骨頭可能融合,比如顱骨會由十幾塊融合為6塊。這說明細胞在分裂增殖過程中,它可以導致組織的融合。”

那么,為什么這些組織會發育成形狀各異的角,甚至出現無角情況?實驗人員對犄角組織基因組表達進行了分析。

通過比較不同類型的反芻動物基因組和多達270個轉錄組,團隊發現羊角和鹿茸具有相似的基因表達模式,其特異高表達的基因主要募集來自在骨、皮膚、腦和睪丸組織表達的基因。

這些角組織特異高表達基因,連同一些快速進化基因都參與了神經嵴細胞遷移通路,而這就意味著,反芻動物的角可能具有相同的細胞“祖先”,即頭部神經嵴干細胞。

“為什么有些動物沒有角,很簡單,因為它們基因‘壞了’。”姜雨說。

當然,最令科學家感興趣的還是那神奇的鹿角,這種角極大引發了癌癥研究者的興趣。

邱強與王文聯合團隊研究發現,多個原癌基因通路在鹿角組織被激活并發生遺傳改變,可能在調控鹿茸快速再生過程中發揮重要作用。

同時幾個重要的抑癌基因也發生了鹿科特異的遺傳改變,其可能強化了抑癌作用。

為什么鹿角能迅速增長且動物本身不易得癌?

邱強及其合作團隊將針對證明快速受控的細胞生長的潛在機制進行研究,并對鹿角作為器官再生模型和癌癥模型做進一步探索。

“這些將為癌癥治療和預防提供新的思路和方法。”邱強說。

從明天起,做一頭溫柔的牛

不過對于長期研究動物育種的姜雨來說,此項研究最大的收獲還是有望培育出類似“無籽西瓜”等的新型變異反芻物種,譬如無角牛、無角羊等。

別看這些犄角平時威風得很,在畜牧生產中它們可不受歡迎。

“有些牛的角非常碩大鋒利,用于對付天敵或互相爭斗。它們不但在同類間可能造成互相傷害,也可能傷害工作人員。”姜雨說,“所以使用無角的牛羊進行畜牧生產,對于飼養員、擠奶工以及動物自身的安全非常重要,此外,無角的反芻動物還可以把用于長角的養分更多地用在產肉和產奶上。”

不過,想要選育出這類無角品種還面臨著極大的挑戰。一是種類尚未選育齊全。

雖然育種工作者投入大量精力選育無角的牛羊品種,利用基因編輯技術培育出了不會長角的黑白花奶牛,從而使小牛出生后無須經歷被烙去牛角的痛苦過程,但用于山羊和綿羊基因編輯育種的無角突變至今還沒有被確證。

其次,選育出的新品種也未必帶來畜牧業增產。

“原本有角的奶牛若想選育成無角品種,需進行無角品種的雜交,但是雜交后其產奶量可能會降低,反而造成了損失。不過,一家美國基因編輯育種公司已經通過基因編輯對無角基因進行定點突變,獲得高產奶量的無角黑白花奶牛。”姜雨說,為此團隊正進一步探索影響無角綿羊和無角山羊的無角基因的定點突變并進行編輯。

王文表示,研究結果對于人類理解反芻動物的演化歷史、再生醫學、腫瘤生物學,以及培育新品種家畜都有重要意義。

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