馬荊鄂 楊 靜 邱峰芳 徐振強(qiáng) 劉清神

犬屬于脊椎動(dòng)物門(mén)，哺乳綱，食肉目，犬科，犬屬，又名狗，是自然界中種類(lèi)遺傳多樣性最為豐富的物種之一。目前, 世界家犬品種已超過(guò)400 種, 總共約有4億頭，其中大部分為西方培育品種。犬基因組由38 對(duì)常染色體和1 對(duì)性染色體組成。性染色體都為雙臂，X 染色體較大為亞中間著絲粒型，而Y 染色體是所有犬染色體中最小的，為中間著絲粒型；38 對(duì)常染色體都屬于近端著絲粒類(lèi)型，染色體形狀和大小非常接近，難以區(qū)分。

在基因組計(jì)劃啟動(dòng)之初，由于家犬并未作為基因組研究的模式動(dòng)物，且犬不屬于重要的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)動(dòng)物，因此與人類(lèi)、小鼠、豬和牛等動(dòng)物相比，犬基因組相關(guān)研究開(kāi)展相對(duì)滯后。20 世紀(jì)90年代末，科學(xué)家意識(shí)到犬作為人類(lèi)疾病的動(dòng)物模型，以及其基因組在研究哺乳動(dòng)物生長(zhǎng)、發(fā)育及進(jìn)化的遺傳本質(zhì)上有重要的應(yīng)用前景，近二十年來(lái)，犬基因組的研究越來(lái)越受研究人員的青睞。

一、犬的起源與進(jìn)化

早在達(dá)爾文時(shí)期，人們對(duì)犬的起源產(chǎn)生了疑問(wèn)，他們認(rèn)為犬可能來(lái)源于野狼、北美小狼，或者是豺狼類(lèi)動(dòng)物。人們對(duì)物種起源研究的思路大多是對(duì)母系遺傳進(jìn)行研究，由于線(xiàn)粒體DNA 存在于細(xì)胞質(zhì)中，在世代傳遞時(shí)呈母系遺傳且不發(fā)生重組。因此，人們常常通過(guò)線(xiàn)粒體DNA 來(lái)研究物種起源。

哺乳動(dòng)物線(xiàn)粒體基因組 (mtDNA)由37個(gè)基因和一段長(zhǎng)度可變的非編碼序列(又稱(chēng)控制區(qū)或D-loop)組成。37個(gè)基因中包括13個(gè)蛋白質(zhì)基因，2個(gè)rRNA 基因和22個(gè)tRNA 基因。其中，13個(gè)蛋白質(zhì)基因分別是細(xì)胞素C 氧化酶的三個(gè)亞基Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ (COⅠ、CO Ⅱ和CO Ⅲ)，細(xì)胞色素b 基因 (Cytb)、ATP 合成酶亞基ATPase6 和ATPase8 和NADH 脫氫酶七個(gè)亞基的基因NDl，ND2，ND3，ND4，ND4L，ND5，ND6 （圖1）。

圖1 動(dòng)物mtDNA 基因組全序列結(jié)構(gòu)示意圖（www.shengwuxiu.com）

最初，人們認(rèn)為犬是起源于100,000年前。1997年，Vila 等首次采用線(xiàn)粒體測(cè)序法對(duì)犬的起源進(jìn)行了研究，作者選取了27個(gè)地區(qū)（歐洲、亞洲、北美等）的162 頭狼，67個(gè)品種的140 頭犬，以及其他犬科動(dòng)物包括5個(gè)土狼品種 、2個(gè)金色背品種、2個(gè)黑色背品種、8個(gè)豺狼品種，對(duì)其線(xiàn)粒體DNA 的調(diào)控區(qū)域(261bp)進(jìn)行測(cè)序。研究表明狼相對(duì)于其他品種，線(xiàn)粒體DNA 更接近于犬等基因組，進(jìn)而推斷狼可能是犬的祖先。2002年Savolainen 等對(duì)犬的起源進(jìn)行了研究。文中選取來(lái)自不同區(qū)域的654 頭犬的mtDNA 進(jìn)行序列比對(duì)分析，結(jié)果顯示犬的線(xiàn)粒體中大于95%的序列與狼的序列相似，進(jìn)一步證明了犬的母系遺傳起源于狼。文中先將不同品種的基因型進(jìn)行分簇，篩選出品種間特有的單倍型，并計(jì)算出它們之間的遺傳距離，研究結(jié)果表明犬起源于15000年前，其起源地是東亞。Leonard 等也于2002年采用線(xiàn)粒體測(cè)序法對(duì)拉丁美洲和阿拉斯加古代樣本進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代的美洲犬種源于多個(gè)古老的支系，而這些支系都是伴隨10000年前的人類(lèi)穿越白令海峽進(jìn)入美洲的。

已上的研究表明， 家犬在不同地區(qū)的群體間存在很大的基因交流， 如果采用中等進(jìn)化速度的遺傳標(biāo)記是無(wú)法將地區(qū)間的群體區(qū)分開(kāi)來(lái)，因此選用進(jìn)化速度快的mtDNA 作為研究家犬進(jìn)化的遺傳標(biāo)記比較適合。但是由于現(xiàn)代家犬品種形成的時(shí)間短，大多數(shù)犬品種形成單獨(dú)的生殖隔離的時(shí)間小于400年，線(xiàn)粒體DNA分析法不能有效地區(qū)分不同地理的家犬品種和個(gè)體之間的親緣關(guān)系。Neff 等選取了7個(gè)牧羊犬品種和2個(gè)獵犬品種進(jìn)行研究，結(jié)果表明它們雖然來(lái)源于不同地理區(qū)域，但是帶有同源的mdr1-1Δ 等位基因。由此可見(jiàn)，需要進(jìn)一步分析基因組中標(biāo)記基因之間的同源關(guān)系，來(lái)揭示家犬品種和個(gè)體之間的親緣關(guān)系。

2003年，Koskinen 等利用細(xì)胞核的微衛(wèi)星定位技術(shù)對(duì)犬品種進(jìn)行溯源，得出它們之間的遺傳距離。2010年，VonHoldt 等對(duì)來(lái)自于北美、歐洲、東亞和中東的912 頭犬（代表85個(gè)品種）以及225 頭野生灰狼的基因組進(jìn)行了比較，使用了分子遺傳技術(shù)，分析了所有實(shí)驗(yàn)動(dòng)物基因組DNA 中的4.8 萬(wàn)多個(gè)遺傳標(biāo)記。研究發(fā)現(xiàn)，從法國(guó)的獅子犬到德國(guó)的牧羊犬，所有的家犬都是起源于中東，而非之前研究所認(rèn)為的東亞。這些研究表明，微衛(wèi)星DNA 技術(shù)結(jié)合數(shù)量遺傳學(xué)的應(yīng)用是分子水平上物種親緣關(guān)系研究的一個(gè)有效工具。

二、犬品種之間的遺傳變異

家犬形態(tài)各異，體長(zhǎng)、體型、毛色、毛質(zhì)均表現(xiàn)出多樣性（圖2），這種變異的遺傳機(jī)制引起了研究人員的廣泛關(guān)注。

圖2 根據(jù)尺寸、腿長(zhǎng)短、毛發(fā)、顏色、頭型進(jìn)行分類(lèi)。A :蘇俄牧羊犬; B:巴吉度獵犬(矮腿獵犬); C:吉娃娃 ; D:巨型雪納瑞; E:卷毛比熊犬; F:柯利犬;G:法國(guó)牛頭犬; H:達(dá)克斯獵犬; I:德國(guó)短毛指示獵犬; J:蝴蝶犬;K:拿破倫犬。

2003年，Kirkness 等開(kāi)始對(duì)犬的核染色體進(jìn)行研究。這項(xiàng)研究表明1.93 萬(wàn)個(gè)犬基因中，至少有18473個(gè)與人類(lèi)已識(shí)別的基因同源，而小鼠基因組中只有18311個(gè)與人類(lèi)同源的基因；人、犬基因組之間相似性比人和鼠以及鼠和犬基因組之間的相似性大。另外，通過(guò)基因比對(duì)分析發(fā)現(xiàn)，犬有360 多種遺傳疾病與人類(lèi)的遺傳病相同。由此，科研人員計(jì)劃對(duì)犬的基因組圖譜進(jìn)行繪制。2005年，Lindblad-Toh 等成功拼接得到了家犬的基因組序列。在分析了60 種不同品系的犬后，選擇了基因組比較保守的拳師犬（boxer）為這次測(cè)序的目標(biāo)動(dòng)物，從而得到了最為可靠的基因組序列。

基因組測(cè)序完成以后，犬的基因組變異成為了研究的熱點(diǎn)。2004年，Parker 等首先對(duì)犬的品種之間的遺傳差異進(jìn)行了研究，選擇了85個(gè)純種犬品系的414 頭犬進(jìn)行了分子標(biāo)記遺傳相關(guān)性檢測(cè)。結(jié)果表明各個(gè)品系都具有相應(yīng)的一套分子標(biāo)記物，其序列在特定品系的不同個(gè)體之間的相似程度要明顯高于不同品系個(gè)體之間的，而不同品系之間的差異可用于解釋大約30%的遺傳學(xué)變異。利用遺傳分簇的方法證明了85個(gè)品種都有相似的地理起源、行為和形態(tài)特征。

2007年P(guān)arker 等對(duì)132個(gè)犬品種的眼部性狀的遺傳變異進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)柯利犬眼部異常是一種遺傳病。在患病的犬基因組中，37 號(hào)染色體上的NHEJ1 基因中存在7.8kb 的同源性缺失。之后，2012年Mellanby等選取了來(lái)自英國(guó)的13個(gè)犬品種，通過(guò)品種間遺傳距離的分析，得出了兩兩品種之間的近交率，各個(gè)品種之間的差異顯著（P＜0.01）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：大多數(shù)品種表現(xiàn)出高度的純合性，其中拳師犬和西部高地白犬的純合度最高，近交率最低；而羅威納犬和金毛獵犬之間的近交率最高，品種的多樣性正在隨歲月的流逝而逐漸減少。

這些結(jié)果表明：所有的犬都可以被認(rèn)為是一個(gè)單一的群體，其觀測(cè)雜合度是8×10–4，這與在人群體中發(fā)現(xiàn)的觀測(cè)雜合度是一致的。然而，犬品種之間的遺傳變異大于27%，單核苷酸多態(tài)的平均遺傳距離是0.36。由于犬品種隔離制度， 不同品種犬之間已產(chǎn)生較大的遺傳分化，遺傳差異達(dá)30%，明顯高于不同人種之間的差異（5%～10%），在家畜不同品種間的遺傳差異是最高的。同時(shí)，品種之間的隔離導(dǎo)致了品種內(nèi)的遺傳分化率比較低（5%～10%），這與在人群體中報(bào)道的一致。

三、犬基因定位

自從“犬基因組計(jì)劃”完成以后，犬的全部基因密碼得以成功破解。近年來(lái)，分子遺傳標(biāo)記在犬的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。一些分子生物學(xué)家、 遺傳育種工作者致力于對(duì)家犬外貌特點(diǎn)和生理特性進(jìn)行研究，對(duì)其相關(guān)的質(zhì)量性狀和數(shù)量性狀進(jìn)行了分子標(biāo)記檢測(cè)和分析。

家犬形態(tài)不一，大小各異，是研究遺傳變異的良好動(dòng)物模型。2007年，Karlsson 等通過(guò)全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS)對(duì)服從簡(jiǎn)單孟德?tīng)柕倪z傳性狀進(jìn)行了定位。同年，Sutter 等分別選取了小型犬（<9kg）和大型犬（>30kg)，通過(guò)全基因組掃描的方法將影響體型大小的主效數(shù)量性狀基因座(QTL)定位到15 號(hào)染色體上，通過(guò)在QTL 附近15MB 的范圍內(nèi)篩查遺傳變異位點(diǎn)，成功發(fā)現(xiàn)了IGF1 基因在控制小型犬的體型大小上發(fā)揮著重要的作用。2009年Cadieu 等選取了來(lái)自80個(gè)品種的1000 多頭犬，通過(guò)全基因組關(guān)聯(lián)分析，找到與犬表皮性狀狀相關(guān)的基因。2010年Danika 等采用交叉品種圖譜法定位得出THBS2 基因和SMOC-2 基因是影響犬短頭變異的主效基因。

在過(guò)去1.4 萬(wàn)年中，經(jīng)過(guò)不斷地馴化，產(chǎn)生了400多種犬。每一種都具有獨(dú)特的體格、皮毛顏色以及習(xí)性。為了發(fā)現(xiàn)造成犬的特定性狀的基因突變，2009年Akey等分析了10個(gè)品種共275 頭家犬的基因組。此前的研究發(fā)現(xiàn)帶來(lái)產(chǎn)生地特定特性的基因，諸如達(dá)克斯犬的短腿。他們分析了一系列品種的犬，從而確定數(shù)個(gè)世紀(jì)的選擇性育種對(duì)于整個(gè)犬基因組的影響。這組作者掃描了將近300 頭犬的遺傳記錄，包括小獵犬、博德牧羊犬、杰克羅素犬、沙皮犬以及標(biāo)準(zhǔn)貴婦犬，并確定了選擇性育種如何影響了這些動(dòng)物的基因組。作者發(fā)現(xiàn)了155個(gè)不同的遺傳位置可能在產(chǎn)生純種犬的特性方面起到了作用，并提出這些信息可能為找到產(chǎn)生特定品種形狀的基因提供線(xiàn)索。例如，這組科學(xué)家提出不同版本的HAS2 基因可能為沙皮犬帶來(lái)了它的獨(dú)特的褶皺或光滑的外皮。相對(duì)于犬外貌特性的研究，生理特性的研究比較少。2012年Chen 等對(duì)犬和狼的嗅覺(jué)受體基因家族進(jìn)行分類(lèi)及測(cè)序分析，發(fā)現(xiàn)由于馴養(yǎng)導(dǎo)致的生殖隔離，犬和狼中嗅覺(jué)受體基因進(jìn)化的方向不一致，中國(guó)鄉(xiāng)村犬中嗅覺(jué)受體基因序列比較保守。

總之，隨著犬基因組的順利完成，遺傳標(biāo)記在犬的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。在分子生物學(xué)高度發(fā)展的今天，用以尋找與犬類(lèi)生理生化、遺傳疾病相關(guān)的特異性標(biāo)記的分子技術(shù)也將不斷發(fā)展、不斷改善。這些研究結(jié)果也將成為世界各地研究人員用以了解犬的起源進(jìn)化以及各種性狀(包括全部的生理特性、遺傳疾病以及諸如毛色這樣的表型特征等)相關(guān)基因的重要工具。