奶牛mhc基因多态性及其与经济性状的关系

奶牛mhc基因多态性及其与经济性状的关系

mhs，即主要组织的适应性化合物，是由高度多态性基质所组成的遗传区域。由于它在动物身体的循环系统中发挥着非常重要的作用，它与动物疾病的抗性和易感性密切相关，因此也成为疾病抗性和易感性的候选人。所以,MHC多态性及其与一些经济性状的关系也就成了动物育种领域的前沿部分。本文介绍奶牛MHC基因的多态性及其与经济性状的关系,以推动我国奶牛高效育种工作。1牛的mhs结构和多样性1.1类基因的组成奶牛MHC又称为牛白细胞抗原(bovinelymphocyteantigen,BoLA),其位于牛的23号染色体上。根据基因产物的功能和结构的不同,将其分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类基因,由于Ⅲ类基因不参与抗原的递呈,因而很少有人对其进行研究。习惯上又将Ⅰ、Ⅱ类基因称为A区和D区基因。通过前人的苦心研究,迄今为止,BoLA的结构已基本研究清楚,它与人白细胞抗原(humanlymphocyteantigen,HLA)很类似,惟一不同的是不含有HLA-DP亚区。(1)Ⅰ类基因由于Ⅰ类抗原分子中的β链(β2微球蛋白)不由MHC区域的基因所编码,因此Ⅰ类区只含有一个编码α链的基因座BoLA-A。(2)Ⅱ类基因利用人类HLAcDNA探针的Southern杂交分析表明:Ⅱ类基因由编码Ⅱ类抗原分子α链的基因DA和编码β链的DB基因组成。DA基因(包括DRA、DQA、DNA、DMA、DYA等)含有5个外显子,其分别编码信号肽、α1功能区、α2功能区、转膜区(TM)和胞质区(CY)、3′非翻译区(3′UT);DB基因(包括:DRB、DQB、DMB、DIB等)则含有6个外显子,其分别编码信号肽、β1功能区、转膜区、胞质区、3′非翻译区。Ⅱ类基因被划分为Ⅱa类、Ⅱb类两个明显的亚区,前者含有DR和DQ基因,与Ⅰ类基因紧密连锁;后者含有DYA、DYB、DOB、DNA、DIB、DMA、TAP1(转运蛋白基因)、LMP2(蛋白酶体相关基因)以及LMP7,两个亚区之间的重组距离为17cM。DR基因含有DRA、DRB1、DRB2和DRB3等4个基因座,Northern杂交表明:DRA为高度表达的基因座,DRB1是一个不表达的假基因,DRB2的表达量非常低或根本不表达,DRB3是唯一可高度表达的基因座,DRA和DRB3分别负责编码α链和β链,组成Ⅱ类抗原分子功能最重要的部分。DQ基因至少含有DQA1、DQA2、DQB1和DQB2等4个基因座,均可高度表达。DQ基因为可复制基因,不同单倍体所含的DQ基因的数目不同,但其形成机制和意义尚不清楚。1996年,国际BoLA命名委员会将其命名标准化为:区—亚区—位点·外显子*等位基因,如DRB3·2*1A,指Ⅱ类区DRB3基因的外显子2的第1A个等位基因。1.2牛mhs的多态性特征1.2.1瑞典牛奶dqa等位基因的扩增和克隆Andersson利用人类HLAclassⅡ基因的Southern杂交和RFLP分析证明了BoLA-DRA、DOB、DYA、DYB等基因座及其多态性的存在,并发现不同单倍型的DQA和DQB基因的个数不同,之后又证明它们是DQA和DQB复制的结果。Sigurdardottir等最早报道了21种DQ单倍型以及20个DQA等位基因、17个DQB等位基因、5个DRA等位基因和25个DRB等位基因。他们后来又使用PCR对瑞典奶牛14个DRB3等位基因进行了克隆和序列分析。Sitte等在荷斯坦牛、娟姗牛和海福特牛中发现BoLA-DRB3存在广泛的序列多态性,并发现4个新的等位基因。Gelhaus等在多个牛品种的34个个体中检测到14个新的BoLA-DRB3等位基因。Giovambattista等在阿根廷克里奥尔牛的7个群体中研究了BoLA-DRB3.2的基因频率和基因型频率,在该品种中检测到21个等位基因。Sitte等通过序列特异性寡核苷酸分型技术来检测BoLA-DRB3的缺失。Aldridge等使用变性梯度凝胶电泳和直接测序对BoLA-DRB3进行了分型。到目前为止,已有37个BoLA-A等位基因;1个DRA等位基因,2个DRB1等位基因,1个DRB2等位基因,63个DRB3等位基因,39个DQA等位基因,37个DQB等位基因;1个DIB等位基因,1个DMA等位基因,1个DMB等位基因和3个DYA等位基因已经经国际BoLA命名委员会统一命名。1.2.2drb3基因座的外显子2BoLA的多态性主要集中在编码抗原的功能性限制性因素及其外显子上。由于MHC抗原分子的第一个结构域(α1功能区和β1功能区)组成其抗原结合区(antigenbindingregion,ABR),其中β1功能区比α1功能区有着更重要的作用,另外在动物机体的免疫系统中Ⅱ类抗原的抗原递呈作用占有最重要的地位,同时DR亚区的基因产物为β1功能区的限制性因素,因此惟一高度表达的DRB3基因座的外显子2(DRB3.2)是BoLA中功能最重要的区域,其多态性最丰富,DQ基因次之,使得其成为MHC研究的热点,同时也是研究最深入、进展最快的领域。有人最早对BoLA进行了克隆和测序研究并得到了DRB3的外显子2的阳性克隆。在此基础上,Sigurdardottir等对14个DRB3.2等位基因进行了氨基酸测序,结果表明:21个多态氨基酸残基中的13个残基位于ABR区;而ABR只有3个氨基酸残基为单态;非ABR区的8个多态氨基酸残基(第12、26、31、32、47、60、77和85位)在人类HLA和小鼠H-2系统的相应位置也表现为多态,其可能通过与外来抗原互作,或者影响ABR的空间结构,或影响T细胞受体的识别等方式而影响抗原递呈过程的识别与被识别的特异性。BoLA、人类HLA的外显子2编码的氨基酸序列比较表明两个物种的多态残基的位置非常相似,在第9~91位的83个氨基酸残基中有44个残基在人类和牛中均为多态,非多态氨基酸的同源性为95%,而且在两个物种中均为多态的残基的多态程度显著高于仅在一个物种中为多态的残基,在小鼠的Eb基因中也发现同样的现象;另外牛、人类、小鼠和大鼠DRB3.2基因编码的氨基酸序列均在第65位存在一个氨基酸缺失。1.2.3单倍型dma血型因子M′为一种红细胞抗原,Hines等报道血型因子M′与BoLA-Aw16紧密连锁。Andersson等报道血型因子M′与DQA′B′单倍型呈高度连锁不平衡。Sigurdardottir等报道血型因子M′与DQ1B-DRA4-DRB1B单倍型紧密连锁。在人类HLA中也有类似发现。目前普遍认为血型因子M′可能与BoLA-Aw16呈紧密连锁状态,与DQ-DR单倍型的连锁是因为后者与BoLA-Aw16连锁所致;或者更可能血型因子M′本身就是一种Ⅰ类抗原,其为BoLA-Aw16的残留部分,在其后合成过程中遗留在红细胞上,但血型因子M′与MHC之间的确切关系尚不清楚。1.3单倍型在d区、细胞系统中的表达位于不同基因座上的等位基因之间存在高度连锁不平衡是BoLA的另一个重要特点,实际观察到的某几个基因出现在同一条单倍型上的频率与预期值有差异。大量研究表明DRA与DQB之间、DQA与DQB之间、DR与DQ之间、以及D区与A区之间都存在着高度连锁不平衡。目前已经命名的1个DRA等位基因、2个DRB1等位基因、1个DRB2等位基因、63个DRB3等位基因、39个DQA等位基因和37个DQB等位基因在理论上可以组成181818种单倍型,但是目前仅仅检测到48种DR-DQ单倍型,这意味着DR与DQ两个亚区之间的重组率极低。事实上在48种单倍型中仅发现一对重组单倍型。人类HLA和小鼠H-2系统的D区也存在着高度连锁不平衡。Vage等报道BoLA-DQ单倍型1A和BoLA-A抗原A11之间存在高度连锁不平衡,并提出单倍型A11-DQ1A是一个有趣的研究热点。2牛mhs与经济特性的关系网络2.1聚乳酸三因素和乳脂率研究MHC与生产性状的关系是分子育种学中的一个热点。Hines等研究了246头用于人工授精的美国荷斯坦公牛的BoLA与产奶性状的传递力之间的关系。结果表明:BoLA-W10组的平均乳脂率显著高于W11、W20、W6和W8组(P<0.05),而产奶量与乳脂量在它们之间没有显著的相关性。Batra等也报道BoLA-W10与乳蛋白和乳脂率有关(P<0.05)。Zanotti报道,W10、W11、W18对产奶量为负的影响,W13对产奶量、乳脂量均无影响,而W7是较高的影响,但表现不明显。W6及W10对蛋白质产量呈负值影响,而W8为0,W7为正值影响。W11对乳脂产量为负值影响,W13为0,W7及W16为正值影响。Simpson等研究了冰岛奶牛BoLA与产奶量的关系,结果表明等位基因W6与产奶量、乳脂量、蛋白量的下降有关,而与乳房炎的升高有关。Weigel等对荷斯坦奶牛BoLAI类抗原进行了研究,表明等位基因W14与产奶量升高、脂肪升高有关。W11与废弃奶量下降、脂肪产量下降、脂肪百分率下降有关。W31(W30)与脂肪百分率下降有关。Arriens等报道瑞士褐牛、西门塔尔牛和荷斯坦牛的BoLA-I类抗原与乳脂率显著相关。在这之后,Sharif等又研究了BoLA-DRB3等位基因与生产性状(包括305天的产奶量、乳脂量、乳蛋白量)的关系,结果表明:BoLA-DRB3*8和305天的产奶量、乳脂量和乳蛋白量显著相关,BoLA-DRB3*22与产奶量和乳蛋白量的减少有关。2.2bola-a与乳房炎的关系乳房炎可以说是奶牛业的最大敌人。经过科学家多年的努力,再加上受到HLA与某些疾病相关的启发,家畜MHC与疾病的关系成为一个新的研究热点。Solbu等发现BoLA-A等位基因W16和较高的乳房炎易感性有关,等位基因W2和乳房炎抗性相关。Oddgeirsson等在冰岛奶牛群中研究了BoLA和乳房炎易感性的关系,报道BoLA-I类基因与乳房炎有关,发现了抗原ED116和增加乳房炎易感性有显著的关系(P<0.05)。BoLAW6和W6.1与高体细胞数相关,W1、W2、W6、W6.1、W6.2和W11虽然没有表现出显著性相关,但它们都与增加乳房炎易感性有关,而W8、W13和W20与增加乳房炎抗性有关。Spooner等研究了BoLA与乳房炎的关系,结果表明BoLA-AW2和乳房炎抗性显著相关,W16和乳房炎易感性显著相关,W11和乳房炎易感性相关,但不显著。Lunden等首先开始研究BoLA-Ⅱ类基因与疾病的关系,他们着重研究了BoLA-Ⅱ类DQ和DYA基因与瑞典红白花奶牛乳房炎的关系,结果表明:单倍型DQ1A与临床乳房炎易感性显著相关,其他的DQ单倍型和DYA基因座对所研究的疾病性状都没有显著影响。Solbu等发现BoLA-A等位基因A11和较高的乳房炎易感性有关。Weigel等研究了荷斯坦母牛BoLA-A等位基因和乳房健康的关系,报道等位基因W14与下降的乳房炎发生率有显著的关系;等位基因W11与下降的临床乳房炎有一定的相关性。这些关系表明BoLA-A的等位基因可以充当健康性状的标记。因此,使用BoLAⅠ类基因,通过标记辅助选择和遗传操纵技术对奶牛抗病性的改良潜力是存在的。Vage等对挪威母牛BoLA-A与乳房炎之间的关系进行了研究,结果表明BoLA-A基因频率在患乳房炎的母牛和没有乳房炎的母牛之间没有显著差异。Mejdell等研究了BoLA-A与挪威公牛乳房炎之间的相关,发现BoLA-A等位基因A2与乳房炎相对抗性显著相关(P<0.02),等位基因A7(W50)与乳房炎相对易感性显著相关(P=0.03)。Aarestrup等研究了333头丹麦母牛BoLAⅠ型单倍型与亚临床乳房炎之间的关系,结果表明A11和A12(A30)等位基因和减少体细胞数(somaticcellcount,SCC)相关,A21和A26等位基因和增加SCC相关。Dietz等采用PCR-RFLP对1100头美国荷斯坦泌乳母牛的BoLA-DRB3.2基因座进行了基因型分析,表明DRB3.2*16等位基因与高SCC相关(P<0.05),DRB3.2*8等位基因与324头第一泌乳期母牛的高SCC相关(P<0.04),DRB3.2*16等位基因与236头第二泌乳期母牛的高SCC相关(P<0.003),DRB3.2*22等位基因与236头第二泌乳期母牛的低SCC相关(P<0.04),DRB3.2*23等位基因与第三泌乳期母牛高SCC相关(P<0.02)。Starkenburg等发现DRB3.2*16等位基因与第二泌乳期母牛较低体细胞评分(somaticcellscore,SCS)相关。Sharif等研究