《Biology》：Epigenetic Regulation of Production Traits in Ruminants: Implications for Breeding and Selection
Huaijing Liu,
Mewangling Qumu,
Ying Lu,
Keyu Li,
Yuwei Qian,
Zhengmei Sheng,
Jinpeng Shi,
Dongmei Xi and
Jiao Wu
编辑推荐：
本综述系统梳理了反刍动物（牛、羊等）中DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA和染色质结构等表观遗传机制如何调控生长、繁殖、免疫和畜产品品质等复杂性状。文章指出，表观遗传标记可作为基因组选择（GS）的补充工具，尤其适用于遗传力低或环境敏感性强的性状，为开发更精准、可持续的反刍动物育种策略提供了新视角。
1. 引言
反刍动物，如牛和羊，是全球动物蛋白的重要来源，其生产性状的改良长期以来依赖于基于DNA序列变异的育种方法，如最佳线性无偏预测（BLUP）和基因组选择（GS）。然而，许多关键经济性状，如繁殖性能、饲料效率、疾病抗性和畜产品品质，往往表现出低遗传力和强烈的环境敏感性，仅靠遗传变异无法完全解释。越来越多的证据表明，表观遗传调控作为一种关键的分子桥梁，在不改变DNA序列的情况下，将环境刺激与基因表达变化联系起来，使生物体能够表现出稳定且可塑的表型差异。这篇综述旨在对反刍动物表观遗传学领域的最新研究进行结构化综述，阐明多层次的表观遗传机制如何协调调控不同组织和发育阶段的生长、发育、繁殖性能、代谢和免疫稳态以及畜产品性状，并探讨其整合到育种策略中的潜力。
2. 表观遗传调控机制概述
表观遗传调控包含多种机制，主要包括DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA（ncRNA）以及染色质重塑和三维基因组架构。这些机制在调控范围、持久性和组织特异性方面各有特点，并通过协同作用精密调控基因表达。
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2.1. DNA甲基化
DNA甲基化是真核生物中最典型和研究最深入的表观遗传修饰形式，主要以5-甲基胞嘧啶（5mC）形式存在于CpG二核苷酸位点。DNA甲基转移酶（DNMTs）催化甲基化过程，而ten-eleven translocation（TET）酶则介导主动去甲基化。在基因组中，启动子区域CpG岛（CGI）的甲基化通常与转录抑制相关，而增强子和基因体内部的甲基化则具有位点特异性的调控功能。研究表明，DNA甲基化对营养状况、环境胁迫和发育阶段高度敏感，在反刍动物的精子发生、胚胎发育、肌肉生长和脂质代谢等关键生物学过程中发挥重要作用。
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2.2. 组蛋白修饰
在真核生物中，DNA以染色质形式存在，其基本结构单位是由组蛋白八聚体和缠绕其上的DNA组成的核小体。组蛋白，尤其是其N端尾部，会发生多种翻译后修饰（PTMs），如甲基化、乙酰化、磷酸化和泛素化等。这些修饰通过改变染色质构象或控制转录因子和调控复合物的募集，在基因表达调控中起关键作用。例如，H3K4me3和H3K27ac是典型的激活标记，而H3K27me3则与转录抑制相关。在反刍动物中，组蛋白修饰对营养、发育阶段和环境胁迫高度敏感，并与DNA甲基化和非编码RNA调控协同作用。
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2.3. 非编码RNA
非编码RNA（ncRNA）是一类从基因组转录但不翻译成蛋白质的功能性RNA分子，广泛参与基因表达调控。根据分子长度和功能特征，ncRNA可分为长链非编码RNA（lncRNA）和小型非编码RNA（如microRNA（miRNA）、环状RNA（circRNA）等）。miRNA通常通过与靶信使RNA（mRNA）互补结合介导转录后基因沉默。lncRNA的作用机制更为多样，可募集染色质修饰复合物或作为竞争性内源RNA（ceRNA）调控miRNA活性。在反刍动物中，ncRNA与生长发育、繁殖性能、免疫稳态和畜产品性状密切相关。
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2.4. 染色质重塑和三维基因组架构
染色质重塑通过调节核小体定位和染色质可及性来影响转录。在此基础上，真核基因组在细胞核内呈现出高度组织化的三维空间结构，包括染色体领域、染色质区室（A/B区室）、拓扑关联结构域（TADs）和染色质环。这些结构限制或促进了增强子与启动子之间的相互作用。染色质重塑和三维基因组架构与DNA甲基化、组蛋白修饰等表观遗传标记相互作用，共同塑造染色质构象和基因调控环境。在反刍动物中，它们与胚胎发育、组织分化、代谢调控和环境适应密切相关。
3. 反刍动物表观遗传研究进展
生长与发育、繁殖性能、代谢与免疫稳态以及畜产品性状是反刍动物从基础生物过程到生产结果的关键性状类型。它们的形成不仅依赖于遗传背景，也受到多种调控因子的综合影响。表观遗传标记在相关组织和生理阶段表现出特征性变化，并通过调控基因表达参与性状差异的形成。
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3.1. 表观遗传标记对反刍动物生长与发育的影响
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肌肉生长与发育：在绵羊骨骼肌发育过程中，全基因组亚硫酸氢盐测序（WGBS）发现了与GTL2基因相关的差异甲基化区域（DMRs），其甲基化水平在成年期高于胎儿期，并影响GTL2的转录。对阿尔泰羊骨骼肌卫星细胞的研究则发现，在分化过程中染色质可及性发生显著重塑，关键调控通路如PI3K–Akt、TGF-β等形成核心调控网络。
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脂肪生成与脂肪沉积：对不同尾型绵羊的全基因组DNA甲基化分析表明，DNA甲基化模式与尾型密切相关，差异甲基化区域（DMRs）富集于脂肪代谢相关基因。在牦牛脂肪细胞分化过程中，染色质可及性的动态变化与脂质代谢基因的表达高度协调。
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3.2. 表观遗传标记对反刍动物繁殖性能的影响
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雄性繁殖性状：在牛中，PBRM1基因外显子29的DNA甲基化与选择性剪接事件以及精子结构和运动力的差异相关。在奶山羊生精小管中，转录组分析和lncRNA–mRNA互作网络分析鉴定出与精子发生相关的基因和非编码RNA。
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雌性繁殖与性别控制：在山羊中，来自大卵泡的细胞外囊泡（EVs）中的miRNA（如miR-202-5p）通过调节PI3K-AKT信号通路促进卵泡发育。在奶牛卵泡液中，miR-29b、miR-199a-3p和miR-148a可通过抑制DNA甲基转移酶（DNMTs）的表达来增强早期胚胎DNA去甲基化。此外，在荷斯坦公牛的精子中，发现了大量X和Y精子之间的差异甲基化区域，揭示了系统性表观遗传差异。
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3.3. 表观遗传标记对反刍动物代谢、免疫和疾病的影响
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代谢稳态：在奶山羊乳腺上皮细胞中，组蛋白修饰激活信号（如FoxO1基因座的H3K27ac富集）与胰岛素信号通路协同调控乳脂代谢。
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免疫与疾病易感性：在绵羊肺泡巨噬细胞中，活跃的组蛋白修饰（如H3K4me3和H3K27ac）与CTCF介导的染色质三维结构域协同维持免疫相关基因的转录活性。在奶牛葡萄球菌性乳腺炎中，全基因组甲基化谱分析鉴定出与代谢和免疫相关基因（如CPT1A
和TRAK1）调控区域重叠的差异甲基化单倍型块（dMHBs）。
•3.4. 表观遗传标记对反刍动物畜产品性状的影响
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乳品生产性状：在Zaraibi山羊中，与产奶量相关基因GHR
和GDF9启动子区域内CpG岛的甲基化水平在高产和低产个体间存在差异。在荷斯坦奶牛中，与乳脂和乳蛋白性状相关的差异甲基化CpG位点被鉴定出来。
•肉品质与胴体性状：在牛中，多种lncRNA通过调控脂肪相关转录因子（如C/EBPα和PPARγ）来调节肌内脂肪沉积。关键线粒体β-氧化基因（如ACSM1
、EHHADH和BDH1）的差异DNA甲基化与基因表达降低和脂质氧化能力下降相关。此外，CTCF可能通过调节DNA甲基化状态影响ANKRD23基因的选择性剪接，从而影响羔羊肉的嫩度。
•羊毛和纤维品质性状：全基因组甲基化和转录组分析鉴定出多个参与毛囊发育的基因（如WNT2
、EDN1等），这些基因在Wnt、TNF、TGF-β等信号通路中富集。印迹Gtl2-miRNA基因座在调节初级毛囊形成和羊毛类型分化中起关键作用。
4. 表观遗传标记在反刍动物育种中的应用
随着表观遗传学在反刍动物重要性状调控中的作用逐渐明晰，将这类信息整合到育种体系中已成为反刍动物遗传改良研究的焦点。
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4.1. 用于表型预测的表观遗传生物标记
表观遗传特征（如DNA甲基化、非编码RNA）能够反映环境胁迫和生理状态变化，为复杂性状提供了DNA序列之外的额外信息层。已有研究验证了其作为预测性生物标记的可行性。例如，基于精子甲基化组分析，在蒙贝利亚德公牛中构建了与生育力相关的预测模型。通过血液DNA甲基化组分析，实现了对奶牛乳腺炎抗性的早期预测。
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4.2. 表观遗传信息与育种策略的整合
传统的反刍动物育种主要依赖遗传标记和基因组估计育种值（GEBVs）。然而，此类模型通常无法完全捕捉表型表达的动态环境调控。整合环境因素的育种模型（如G × EBLUP）通过构建环境特异性基因组关系矩阵，显著提高了预测准确性。相比之下，表观遗传选择直接利用表观遗传标记揭示环境诱导的调控变化，为表型可塑性提供了分子基础。例如，DNA甲基化衍生的评分可以作为基因组估计育种值的辅助预测因子。此外，表观遗传信息在反刍动物繁殖技术（如精子冷冻保存和体细胞核移植）中的应用也日益受到关注。
5. 展望
表观遗传调控在介导环境因素对反刍动物表型变异的影响方面发挥着重要作用。与DNA序列的相对稳定性相比，表观遗传状态对外部条件（如营养摄入、饲养管理）的变化具有响应性，有助于个体发育和生产过程中表型可塑性的形成。随着反刍动物表观遗传标记研究的不断推进，大量潜在调控靶点的识别为复杂性状的功能分析和定向调控奠定了理论基础。表观遗传调控作为对基于DNA序列的育种方法的概念性补充，扩展了我们对环境暴露如何与调控网络相互作用以塑造反刍动物复杂性状的理解。
6. 挑战与未来方向
尽管表观遗传标记在反刍动物育种中具有巨大潜力，但在大规模应用可行之前，必须解决一些实际和概念上的挑战。表观遗传标记在其遗传稳定性程度上存在差异，这决定了它们是否适合长期育种。与DNA序列变异不同，许多表观遗传修饰在配子发生和早期胚胎发生过程中会部分或全部被重编程，限制了它们的跨代持久性。从成本效益的角度来看，尽管WGBS和ChIP-seq等多组学技术的测序成本正在逐渐下降，但在育种群体中跨多个组织和时间点进行大规模表观基因组分析仍然昂贵且劳动密集型。技术限制也仍然很大。许多具有经济意义的表观遗传标记表现出强烈的组织、细胞类型和性别特异性。此外，表观遗传数据对发育阶段、环境暴露和细胞组成高度敏感。行业采用的一个主要瓶颈是缺乏标准化。采样策略、实验方案、生物信息学流程和报告标准的差异常常导致不同研究之间的数据集可比性差。表观遗传育种在提高生产效率的同时，也引发了一系列伦理问题。从方法学角度来看，将表观遗传标记纳入基因组预测框架，可能通过捕获SNP模型以外的额外表型变异来源，有助于改进育种值估计。展望未来，表观遗传学可能会将反刍动物育种从一个静态的遗传范式转向一个动态的、多层次的调控框架。
7. 结论
表观遗传调控通过调控生长、繁殖、免疫和其他重要经济性状背后的基因网络，为反刍动物的遗传背景、环境暴露和表型变异之间提供了关键的分子联系。尽管取得了实质性进展，但目前的证据在很大程度上仍是相关性的，表观遗传信号受到组织特异性、发育阶段和环境背景的强烈影响，而标准化方案和跨群体验证仍然有限。未来的研究应优先考虑纵向、多组织研究和功能验证，以建立因果关系并提高可重复性。尽管将表观遗传信息与基因组选择和多组学框架整合为改善低遗传力和环境敏感性状的预测提供了有希望的机会，但在商业化育种计划中的大规模实施将取决于经过验证的成本效益、方法学的统一和负责任的治理。目前，表观遗传信息应被视为对基因组选择的补充增强，而非独立的育种策略。
