2019年6月21日，國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》在線刊發(fā)了西北農(nóng)林科技大學(xué)動物科技學(xué)院教授姜雨研究團(tuán)隊(duì)與西北工業(yè)大學(xué)等9家國內(nèi)外單位的聯(lián)合研究成果——“反芻動物角發(fā)生發(fā)育和鹿茸快速再生的遺傳基礎(chǔ)”。
這項(xiàng)研究從遺傳學(xué)角度首次提出反芻動物的角具有相同的細(xì)胞起源——頭部神經(jīng)脊干細(xì)胞，并指出其發(fā)育過程利用了基本相同的基因調(diào)控通路，從而為證明反芻動物角具有單一的進(jìn)化起源和發(fā)生發(fā)育機(jī)制提供了證據(jù)。
一個有趣科學(xué)問題的提出
反芻動物是超過200種特殊的陸生草食動物的統(tǒng)稱，其包含了常見的家畜如牛、羊等，是世界上最成功的哺乳動物類群之一，分布極廣且數(shù)量龐大。
自2015年起，西北工業(yè)大學(xué)、西北農(nóng)林科技大學(xué)、丹麥哥本哈根大學(xué)等單位就合作啟動了“反芻動物基因組計劃”，試圖通過該計劃闡述反芻動物的適應(yīng)性進(jìn)化，幫助人們深刻理解反芻動物在眾多草食動物中制勝的秘訣。
由于沒有尖牙和利爪，所以頭上長角對于草食動物而言是一個很大的競爭優(yōu)勢，其既可以成為它們面對捕獵者的自衛(wèi)工具，也是同類間爭奪配偶和領(lǐng)地的主要武器。
絕大多數(shù)頭上長角的動物都屬于反芻動物的有角下目，有角下目的動物也是現(xiàn)存唯一一類頭顱上有骨質(zhì)附屬物的哺乳動物，而這個附屬物就是大家熟知的骨質(zhì)角（在此應(yīng)與簡單由皮膚衍生的犀牛角區(qū)別開來）。
有角下目不同動物類群有各自形態(tài)獨(dú)特的角。如長頸鹿科的角由僅被皮膚和毛發(fā)覆蓋的骨突組成。�？频慕怯幸粋�骨質(zhì)的核心，但被一個角質(zhì)鞘所覆蓋，其終生生長，不分叉也不能再生。鹿科動物的角則會周期性脫落，每年再生一次，在生長階段時被稱為鹿茸，它的生發(fā)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。還有部分有角下目的動物不長角，比如麝和獐子。
那么牛角、羊角和鹿角的發(fā)育生長是否由相同的基因通路控制？骨質(zhì)角是來自一次起源還是多次起源？這些既是懸而未決的歷史難題，也是有趣的科學(xué)問題。
作為反芻動物種間種內(nèi)競爭的工具，角不利于畜牧生產(chǎn)管理。因此在畜牧生產(chǎn)實(shí)踐中，為了方便管理，飼養(yǎng)者會對新生小牛和小羊進(jìn)行人工去角。通常的做法是用烙鐵在角發(fā)生的位置破壞角基質(zhì)，但這樣不僅浪費(fèi)大量的人力、物力，也給小牛、小羊等帶來極大痛苦，不利于動物福利。因此，培育無角牛羊便成為育種工作者的目標(biāo)。
2016年夏天，姜雨團(tuán)隊(duì)利用“反芻動物基因組計劃”組裝出來的反芻動物基因組，對角這個反芻動物特有的新器官產(chǎn)生的遺傳學(xué)基礎(chǔ)開始了系統(tǒng)性研究，以期能夠解答上述問題，同時希望能夠反映動物器官起源的普適性原理，解析控制角生長發(fā)育的基因，為選育無角牛羊品種做好基礎(chǔ)性工作。
一個問題套著一個問題
在先前無角牛羊研究的基礎(chǔ)上，姜雨團(tuán)隊(duì)通過比較不同類型的反芻動物基因組和多達(dá)270個轉(zhuǎn)錄組，發(fā)現(xiàn)羊角和鹿茸具有相似的基因表達(dá)模式，其特異高表達(dá)的基因主要募集于在骨、皮膚、腦和睪丸組織表達(dá)的基因。
研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，這些角組織特異高表達(dá)基因，連同一些快速進(jìn)化基因都參與了神經(jīng)脊細(xì)胞遷移通路。于是，研究人員從遺傳學(xué)角度首次提出反芻動物的角具有相同的細(xì)胞起源——頭部神經(jīng)脊干細(xì)胞，從而為證明反芻動物角具有單一的進(jìn)化起源提供了遺傳學(xué)證據(jù)。
那么，麝和獐子為什么沒有角？通過構(gòu)建反芻動物全基因組數(shù)據(jù)的高可信度系統(tǒng)發(fā)育樹，我們可以明確看出麝科和獐亞科獨(dú)立丟失了它們的角。通過比較麝和獐子與其他反芻動物的基因組，姜雨團(tuán)隊(duì)探究了兩個譜系中由于提前成熟的終止子和移碼框突變導(dǎo)致的289假基因，發(fā)現(xiàn)RXFP2是趨同假基因中唯一一個無角基因。更有趣的是，在RXFP2基因上的突變也是造成無角綿羊品種產(chǎn)生的原因�？傮w上說，這些結(jié)果表明，RXFP2的假基因化極有可能是麝科和獐亞科發(fā)生趨同的第二次頭飾丟失的潛在機(jī)制。
那么鹿角為什么能再生？作為哺乳動物中唯一能夠完全再生的器官，鹿角為再生生物學(xué)提供了一個獨(dú)特的模型。鹿茸再生是一種基于干細(xì)胞的過程，姜雨團(tuán)隊(duì)通過研究證明了鹿茸干細(xì)胞可能來源于頭部神經(jīng)嵴干細(xì)胞，它具有快速增殖和分化為軟骨和神經(jīng)細(xì)胞的潛力，同時發(fā)現(xiàn)神經(jīng)生長因子（NGFR）基因在鹿茸組織中強(qiáng)烈且特異表達(dá)。這一發(fā)現(xiàn)與神經(jīng)生長因子促進(jìn)鹿角神經(jīng)生長的發(fā)現(xiàn)一致，證實(shí)神經(jīng)過程與鹿角年度再生密切相關(guān)。
另一方面，鹿角也具有極快的生長速度。例如，馬鹿鹿茸的平均生長速度為1.7厘米/天，重量可達(dá)30公斤。由于極快的細(xì)胞增殖，這些鹿茸每年從春季到夏季的再生速度甚至超過了癌組織的生長，從而為人們提供了骨癌的研究模型。
本研究還發(fā)現(xiàn)，多個原癌基因通路在鹿角組織被激活并發(fā)生遺傳改變，可能在調(diào)控鹿茸快速再生過程中發(fā)揮了重要作用。同時，幾個重要的抑癌基因也發(fā)生了鹿科特異的遺傳改變，其可能強(qiáng)化了抑癌作用。
因此，進(jìn)一步的功能研究將在證明快速但受控的細(xì)胞生長的潛在機(jī)制，以及探索鹿作為器官再生模型和癌癥模型方面具有重要的科學(xué)意義，為癌癥治療和預(yù)防提供新的思路和方法。
此次能夠代表西北農(nóng)林科技大學(xué)在《科學(xué)》發(fā)文，為“雙一流”建設(shè)添磚加瓦，姜雨發(fā)自內(nèi)心地感到喜悅。但對于成績的取得，姜雨顯得十分謙虛。
“一是學(xué)校建設(shè)的高性能計算平臺為相關(guān)研究提供了計算資源，推進(jìn)項(xiàng)目快速進(jìn)行；二是得益于創(chuàng)新性提出角起源的細(xì)胞基礎(chǔ)和鹿茸快速再生可作為癌癥研究模型的新穎的研究思路；三是得益于國內(nèi)外10家研究單位的通力合作。”姜雨對《科學(xué)新聞》表示。
當(dāng)今生物學(xué)研究已經(jīng)發(fā)展為大科學(xué)研究，需要大量經(jīng)費(fèi)和人力投入。姜雨口中的10家研究單位，除了西北農(nóng)林科技大學(xué)外，還包括西北工業(yè)大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院、哥本哈根大學(xué)、中科院昆明動物研究所、四川養(yǎng)麝研究所、石河子大學(xué)、新疆畜牧科學(xué)院、美國Recombinetics公司以及深圳華大基因研究院。正是得益于這些國內(nèi)外單位的通力合作，牛、羊、鹿的長角之謎才最終得以揭開�！�