家畜Y染色体分子遗传多样性研究进展

徐舒远，陈和平，党瑞华，蓝贤勇，陈 宏，雷初朝＊

（1.西北农林科技大学动物科技学院，陕西杨凌712100；2.河南新县畜牧局疫病预防控制中心，河南新县465550）

在哺乳动物中，Y 染色体约占单倍体基因组的2%，位于Y 染色体短臂末端的一个小区域叫拟常染色体区（PAR），剩下的为Y 染色体雄性特异区（MSY），即非重组区，分布在Y 染色体区的短臂和长臂上。PAR 约占Y 染色体DNA 含量的5%，MSY 则占Y 染色体中DNA 含量的95%［1－2］。这两个Y 染色体区域具有完全不同的特性，在减数分裂时，PAR 区和X 染色体可以配对，而MSY 区和X染色体则不配对。由于MSY 区在减数分裂时不重组，因此在长期的进化过程中，一些Y 染色体基因逐渐失去其功能而变成假基因，另一些Y 染色体区域存在极其丰富的重复序列，而保留下来的Y 染色体基因在维持动物雄性特性、精子发生和发育方面具有十分重要的作用，从而使得Y 染色体上的基因十分特异［3］。

Y 染色体分子遗传标记一般是指Y 染色体上非重组区（MSY）的标记。研究Y 染色体非重组区标记的优点：第一，Y 染色体非重组区遵循父系遗传（父子相传），不与X 染色体重组，其突变率比mtDNA 低，是进化事件的忠实记录者。第二，Y 染色体为单倍体，其有效群体大小不及常染色体位点，较易产生动物特异的单倍型［1，4］。许多研究已经证明，一旦找到足够数量的家畜Y－SNPs和Y－STRs标记，对于研究家畜遗传多样性及起源进化具有非常重要的价值［5－9］；而Y 染色体基因的拷贝数变异（CNV）对于维持基因家族的存在、功能，雄性动物的精子发生与发育、代谢以及一些疾病的发生等有着重要的意义［10－11］。

1 黄牛Y染色体分子遗传多样性研究

在Y－SNP 标记研究方面，Kikkawa等［12］发现黄牛SRY 基因的3个Y－SNPs可以区分普通牛、瘤牛、巴厘牛和牦牛，推测亚洲各地的家牛为多父系起源。Gotherstrom 等［13］利用5个Y－SNPs标记命名了黄牛Y 染色体单倍型组：普通牛为Y1和Y2，瘤牛为Y3单倍型组；并通过研究原牛古DNA 发现欧洲原牛以Y1单倍型组为主，而最初从近东引入欧洲的家牛主要为Y2 单倍型组。但是，Bollongino等［14］通过研究更有代表性的欧洲原牛古DNA 样本，发现欧洲原牛中Y1单倍型组并不占优势，认为欧洲家牛在进化过程中并未与原牛杂交。Bonfiglio等［15］发现利用USP9Y 基因上的2个标记进行琼脂糖电泳能够有效地区分黄牛的3种Y 染色体单倍型，既方便了分型又大大降低了研究成本。最近，Li等［16］利用USP9Y 基因上这2个Y 染色体标记对中国黄牛进行分析，发现中国黄牛存在普通牛Y2和瘤牛Y3单倍型两种父系起源。

在Y－STR 标记研究方面，Edwards等［17］发现了同时具有普通牛和瘤牛特异等位基因的4个YSTR 位点能够用来研究杂交牛的基因渐渗情况。Liu等［18］研究了38个Y－STR 位点在17头公牛中的多态性，发现其中14个位点存在多态性，为大规模使用Y－STR 标记研究家畜的父系起源开创了先河。随后，Cai等［19］对中国地方黄牛品种进行了YSTR多态性研究，发现2 个Y－STR 位点具有明显的多态性，可以区分普通牛和瘤牛血统；Xin等［20］则重点研究了秦川牛的Y－STR 多态性，证实秦川牛以普通牛血统为主。Li等［21］对埃塞俄比亚北部地区牛群进行了Y－STR 多态性研究，发现各群体的遗传多样性比较低，群体结构较为简单；Kantanen等［22］则研究了欧洲家牛品种的Y－STR 多态性，构建了26种Y 染色体单倍型。

在Y－SNP和Y－STR 标记联合研究方面，Ginja等［23－24］分别对葡萄牙牛和美洲克里奥尔牛进行了Y－SNP和Y－STR多态性研究，发现其具有丰富的Y 染色体单倍型多样性，并证实葡萄牙牛品种中存在荷斯坦牛血统，而克里奥尔牛则包含瘤牛、海福特牛等多种血统。此后，Edwards等［25］利用Y－SNP和Y－STR 标记研究了世界范围内138个牛品种的Y 染色体单倍型，发现奶牛有2个父系起源。最近，Li等［26］利用4个Y－SNP 标记和2个Y－STR 标记对16个中国黄牛品种进行了多态性分析，证实中国黄牛存在2个父系起源（普通牛和瘤牛），而且各品种的Y 染色体单倍型呈现出清晰的地理分布规律。

在Y 染色体基因拷贝数变异研究方面，主要集中于对Y 染色体TSPY、HSFY、PRAMEY 和ZNF280BY 等基因的研究。Hamilton等［27］检测到牛的TSPY 基因位于Y 染色体短臂区，其拷贝数为50－200，且在品种间拷贝数差异显著。此后，Hamilton等［28］进一步研究发现，家牛TSPY 基因拷贝数与其在睾丸中的转录水平呈负相关，可作为公牛繁殖能力的标记。Yue等［29］计算了15个品种460头公牛PRAMEY 基因的拷贝数，发现在15个品种的拷贝数为2－31；具有普通牛血统的公牛拷贝数（13）显著低于瘤牛血统的公牛（20）；发现PRAMEY 基因拷贝数与公牛睾丸大小、正常精子数及不返情率呈负相关，表明PRAMEY 基因的拷贝数变异可用于公牛的早期选种。Yue等［30］对15个品种的HSFY 和ZNF280BY 基因拷贝数变异进行研究，发现这两个基因在黄牛品种中均出现明显的拷贝数变异。HSFY 基因的拷贝中值数为197（21－308），而ZNF280BY 基因的中值数为236（28－380）；具有普通牛血统的公牛的HSFY 中值数（202）显著高于瘤牛血统（178）；而ZNF280BY 基因却相反，即普通牛血统公牛的中值数（231）显著低于瘤牛血统（284）；并发现这两个基因的拷贝数与公牛睾丸大小呈负相关，而与公牛受胎率呈正相关。

2 水牛Y染色体分子遗传多样性研究

Zhang等［31］通过对沼泽型和河流型水牛SRY基因完整编码区序列的研究，发现一个SNP（C／G），可以作为区分这两类水牛的有效Y 染色体标记。霍金龙等［32］通过对沼泽型和河流型水牛Y 染色体SRY 基因完整编码区及部分侧翼区序列进行比较分析，确定SRY 基因的这个SNP（C／G）在沼泽型和河流型水牛之间普遍存在，而其他牛科物种在此位点均不存在变异。Yindee等［5］通过对泰国水牛Y 染色体上DBY、ZFY 和SRY 基因的研究发现，沼泽型水牛分为4种单倍型，且各个单倍型的水牛在泰国有着明显不同的地理分布情况，并提出沼泽型和河流型水牛分别起源于不同的野生种群。张晓明等［9］以3个滇东南水牛群体为研究对象，在14个家牛Y 染色体特异性微卫星标记中筛选出5个标记（INRA124、INRA189、BM861、PBR1F1 和UMN2001）可以作为水牛特异的Y－STR 标记。

3 牦牛Y染色体分子遗传多样性研究

目前关于牦牛Y 染色体分子遗传多样性的研究较少，但已成功地鉴定出3个特异的牦牛Y－STR标记（INRA124、INRA189 和BYM－1）。Edwards等［17］研究发现INRA126 是普通牛的特异Y－STR标记，但在牦牛中是非特异的。Han等［33］利用3个黄牛特异的Y－STR 标记对4个中国牦牛品种及1个不丹牦牛品种进行了研究，发现INRA126 标记在母牦牛中也有PCR 扩增产物，而BM861 和INRA189则是牦牛特异的Y－STR 标记。而Qi等［34］研究表明，BYM－1 也是牦牛特异的Y－STR 标记。此后，Nguyen等［35］研究发现BM861在母牦牛中也有PCR 扩增产物，而INRA124和INRA189则只在公牦牛中有扩增产物，为牦牛特异的Y－STR 标记。故有必要对INRA126 和BM861 标记在公牦牛中的特异性进行鉴定，才能用于牦牛Y 染色体微卫星多样性研究。

4 绵羊Y染色体分子遗传多样性研究

Meadows等［36］研究了卡拉库尔大尾绵羊、萨福克羊等多个绵羊品种的Y 染色体多态性，在SRY基因上发现一个SNP（A／G），并计算了绵羊Y 染色体核苷酸多样度。Meadows等［37］又利用一个YSNP（oY1）标记和一个Y－STR（SRYM18）标记研究了世界范围内65个家绵羊品种及野生绵羊的Y 染色体多态性，发现绵羊存在11种Y 染色体单倍型，至少来自两个不同的世系，除了单倍型H6在世界范围内广泛分布外，其他单倍型的绵羊表现出严格的地理分布规律。Meadows等［4］重新对多个野生绵羊品种SRY 基因的5＇启动子区域进行了测序，发现7 个新的种间Y－SNPs，结合Y－STR 标记（SRYM18）的研究，定义出6种新的单倍型，且发现摩弗伦羊是唯一独享一种单倍型的家绵羊的父系祖先。此后，Zhang 等［38］利用2 个Y－SNP 标记研究了中国和伊朗绵羊品种的Y 染色体遗传多样性，统计了SRY 基因的单倍型频率及各绵羊品种的地理分布情况。

5 山羊Y染色体分子遗传多样性研究

Pereira等［39］研究了北非山羊品种的mtDNA和Y－SNP多态性，发现北非的山羊品种由于殖民统治、海上扩散等受到了周边地中海沿岸国家山羊品种的影响，并检测到北非的马格里布地区与欧洲伊比利亚半岛的山羊品种通过直布罗陀海峡发生了基因漂移。Shafer等［40］综合使用Y－SNP标记、微卫星和mtDNA 等技术研究了巴拉诺夫岛上北美野山羊的起源进化情况，证实在冰河时代残存下来的北美野山羊作为一个进化的重要单元一直生活在该岛上。

6 猪Y 染色体分子遗传多样性研究

Ramirez等［41］综合利用mtDNA、微卫星和YSNP标记对世界范围内的家猪和野猪进行了遗传多样性分析，发现家猪和野猪之间遗传分化很小，很可能是由于二者间存在着持续的基因流；发现近东和欧洲的野猪间亲缘关系很近，难以推断它们对现在欧洲家猪品种基因库的贡献；此外，还发现欧洲和远东的家猪品种为非洲及南美洲家猪品种的起源驯化做出了很大的贡献，这很可能与大航海时期西班牙、葡萄牙等国家与亚、非、美洲间的贸易路线有关。Cliffe等［7］对欧洲猪和亚洲猪品种Y 染色体短臂区一个11 369bp大小的序列片段及代表9个不同基因座的20个扩增子进行测序，共检测到5个插入缺失突变和28 个Y－SNPs；进一步利用位于SRY 基因编码区的3个高频率Y－SNPs分析了代表25个欧洲猪品种和25个亚洲猪品种的889头公猪，发现与欧洲和中国起源有关的2 个单倍型是相当稀有的，它们以很低的频率分布在一些固定的品种中。

7 马Y 染色体分子遗传多样性研究

Wallner等［42］首次在家马上发现了6个特异的Y－STR 标记，其中3个Y－STR 标记也可用于斑马和驴的单倍型分型，发现家马仅有一个Y 染色体单倍型。Lindgren等［43］研究了15个马品种52 匹公马的Y 染色体多态性，对Y 染色体上14.3kb大小的非编码序列进行测序，结果没有筛选到Y－SNP，由此认为家马的父系起源有限，推测家马驯化过程中可能受到强烈的种公马的选择育种。Ling等［8］利用6个特异Y－STR标记对30个中国家马品种及普氏野马进行了父系遗传多样性的研究，发现中国家马在Eca.YA16标记存在2个单倍型（A 和B），这是世界首次在家马上发现Y 染色体多态性。Lippold等［44］研究了8匹古马和一匹2800年前家马的古DNA，对其Y 染色体上4 062bp大小的序列进行分析，发现在2800年前的家马与现代家马存在4个SNP，而普氏野马与家马共享4bp的缺失突变，且普氏野马的Y 染色体单倍型与家马的更为接近而与古马的比较远。Claudia等［45］对伊比利亚半岛的雷图埃尔塔斯野马Y 染色体上的ZFY、AMELY 等基因的31个内含子进行测序，与世界上其他已经研究过的家马品种比对，结果依旧没有发现多态性，但与GenBank 上马的参考序列比较发现有15处不同，说明这些参考序列很可能存在错误。Wallner等［46］利用高通量测序技术首次鉴定出可用于追踪家马父系起源的Y 染色体多态标记，发现现代家马存在6种Y 染色体单倍型（HT），其中单倍型HT1是最突出的，而其他5种则是在进化过程中以HT1为背景通过突变或者基因转换等方式而形成的；此外还发现普氏野马与家马明显不同，仅存在两个单倍型（HTprz1和HTprz2）。Orban等［47］研究了马Y 染色体MSY 区基因的拷贝数，确定了21个单拷贝基因和16个多拷贝基因，对马的Y 染色体基因组研究有重要推动作用。

8 Y 染色体分子遗传多样性研究的前

随着20世纪后叶生命科学各领域特别是分子生物学的突破性发展，家畜遗传多样性与起源进化方面的研究也取得了长足的进步，已经从最初的考古学、形态学、生理生化指标等研究发展到了分子水平遗传标记的研究。虽然mtDNA 方面的研究可以提供家畜母系起源的证据，但还需要Y－SNP 和YSTR 的研究来补充Y 染色体非重组区父系起源的遗传学证据。然而，不少家畜物种的起源、驯化历史及迁徙路线仍然不是很清楚，尤其我国在这方面的研究相对较少，特别是家畜Y 染色体基因组合转录组、蛋白质组的研究尚未起步。因此，家畜Y 染色体分子遗传多样性及Y 染色体组学的研究仍具有广阔的前景，这将为家畜遗传资源保护、育种改良及进一步开发利用提供重要的理论依据，进而为推动我国未来畜牧业的发展做出贡献。

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