《Small Ruminant Research》：Integrated analyses of whole transcriptome and lipidome using WGCNA to identify regulatory factors associated with different hair types in cashmere goats
编辑推荐：
为探究内蒙古绒山羊被毛类型（长毛型与短毛型）差异的分子机制，本研究整合了皮肤组织的全转录组（mRNA、lncRNA、circRNA、miRNA）和脂质组数据，利用加权基因共表达网络分析（WGCNA），成功构建了一个关联被毛类型的调控网络。研究鉴定出包含FGF21、chi-miR-143-3p、circ_1073/circ_5535及硬脂酸、棕榈酸等脂质在内的关键调控轴，揭示了非编码RNA与脂质代谢交互作用影响毛型的新机制，为绒山羊分子育种提供了新靶点。
绒山羊是中国北方重要的特色经济动物，其毛（绒）品质直接决定了养殖效益。在养殖过程中，人们发现即使是同一品种的绒山羊，其外层粗毛的长度也存在显著差异，被划分为长毛型、短毛型和中间型。被毛类型不仅影响羊只的外观，更与产绒量、绒的细度等关键经济性状密切相关。尽管其重要性不言而喻，但究竟是哪些分子“幕后推手”在调控着绒山羊被毛的长短差异，至今仍是一个未被完全揭开的谜题。传统的单组学研究虽已发现了一些候选基因，但难以描绘出从基因、非编码RNA到下游代谢产物的完整调控图景。为了更系统地解开这个谜团，内蒙古农业大学的研究团队开展了一项开创性的多组学整合研究，相关成果发表在《Small Ruminant Research》杂志上。
研究者采用了多项关键技术方法来解析这一复杂性状。首先，他们基于2020-2021年测量的粗毛长度，选取了表型一致的长毛型和短毛型成年母羊各5只，并在9月（毛发生长期，生长期）、12月（退行期）和次年3月（休止期）这三个毛囊生长周期的关键时间点采集了皮肤样本，共获得30份样本。利用这些样本，研究人员并行开展了全转录组测序和液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）脂质组学分析。为了从海量的分子数据中挖掘出与性状关联的模块，他们采用了加权基因共表达网络分析（WGCNA） 这一系统生物学方法，将转录组和脂质组数据整合成一个矩阵进行网络构建。此外，通过定量实时聚合酶链式反应（qRT-PCR） 对筛选出的关键RNA分子进行了表达验证，并利用桑格测序确认了关键环状RNA（circRNA）的环化结构。
1. 构建全转录组与脂质组共表达网络
通过对30个样本的整合数据分析，共检测到29,208个mRNA、14,848个长链非编码RNA（lncRNA）、6,849个环状RNA（circRNA）、436个微小RNA（miRNA）和2,279个脂质化合物。利用WGCNA，所有分子被划分到43个不同的共表达模块中。模块-性状关联分析显示，蓝色（blue）模块和深海绿色4（darkseagreen4）模块与被毛类型及粗毛长度呈显著负相关，因此被确定为后续分析的关键模块。
2. 挖掘与被毛类型关联的关键模块
- •
darkseagreen4模块分析：该模块包含318个分子，主要为mRNA。功能富集分析显示，其mRNA显著富集于甲状腺激素信号通路、mTOR信号通路、细胞周期等通路。
- •
蓝色模块分析：这是最大的模块，包含8,022个分子，涵盖所有类型的RNA及309个脂质化合物，其中116个mRNA、193个lncRNA、66个circRNA、3个miRNA和62个脂质在毛型间差异表达。功能分析表明，该模块的mRNA显著富集于核糖体、脂肪酸延伸、昼夜节律、Wnt信号通路等通路，与毛囊发育和脂质代谢高度相关。共表达网络鉴定出FGF21、chi-miR-143-3p、circ_1073、XLOC_003612等一批高连接度的枢纽分子。
3. qRT-PCR验证不同被毛类型的关键RNA分子
研究人员从蓝色模块中筛选出14个候选RNA分子进行验证。结果发现，FGF21基因在长毛型山羊三个时间点的表达量均显著高于短毛型。chi-miR-143-3p仅在3月于长毛型山羊中表达显著升高。circ_1073和circ_5535在短毛型山羊中表达总体更高。这些结果与测序数据趋势基本一致，证实了关键分子的可靠性。
4. 关键脂质化合物的表达分析
对蓝色模块中的脂质分析发现，62个脂质化合物在毛型间差异表达，主要属于磷脂酰胆碱（PC）、磷脂酰乙醇胺（PE）、鞘磷脂（SM）等类别。通路富集显示它们与不饱和脂肪酸生物合成、鞘脂代谢等通路相关。其中，硬脂酸和棕榈酸在3月份于长毛型山羊中显著富集。
5. 毛囊生长周期中不同被毛类型的动态调控网络
基于分子互作预测和表达相关性，研究者构建了一个多层次的调控网络。该网络揭示了一个新颖的调控轴：circ_1073和circ_5535可能作为竞争性内源RNA（ceRNA）吸附chi-miR-143-3p，从而解除chi-miR-143-3p对其直接靶点lncRNA XLOC_003612的抑制，并间接调控FGF21的表达。而FGF21的表达又与硬脂酸、棕榈酸等脂质化合物的水平显著相关。这条“circRNA–miRNA–mRNA–脂质”轴被认为是关联绒山羊被毛类型差异的核心机制。
结论与讨论
本研究通过整合全转录组与脂质组学，并结合WGCNA分析，系统揭示了内蒙古绒山羊被毛类型差异的复杂分子基础。其最重要的发现是勾勒出一个以chi-miR-143-3p和FGF21为核心的调控轴。其中，chi-miR-143-3p作为一个调控枢纽，其本身在毛囊发育中已被报道具有促进毛囊干细胞增殖的作用。而FGF21作为成纤维细胞生长因子家族成员，在敲除小鼠中会导致毛发生长减慢、毛囊密度降低，本研究证实其在长毛型绒山羊中持续高表达，凸显了其在决定毛长中的关键作用。特别值得注意的是，该研究创新性地将FGF21的表达与硬脂酸、棕榈酸等脂质代谢联系了起来，这些脂肪酸是毛囊健康和皮脂合成的重要物质。同时，蓝色模块富集到的Wnt、Notch等经典毛囊发育信号通路，提示新发现的调控轴可能与这些通路协同作用，共同影响毛囊活性与纤维生长。
这项研究的意义在于，它超越了单一组学的局限，首次在绒山羊中构建了连接非编码RNA、关键基因与脂质代谢产物的多维调控网络，为理解被毛类型这一复杂性状提供了全新的系统性视角。所鉴定出的FGF21、chi-miR-143-3p、circ_1073/circ_5535等关键分子，有望成为未来绒山羊分子育种中用于选育高产优质绒山羊的潜在遗传标记。当然，该研究提出的调控关系主要基于生物信息学预测和相关分析，未来仍需通过双荧光素酶报告基因实验、功能获得/缺失实验等进行更直接的验证。此外，扩大样本量、涵盖中间型个体，并结合更精确的毛囊周期组织学判定，将有助于更全面、精准地解析毛长调控机制。尽管如此，这项研究无疑为绒山羊经济性状的分子机理研究和遗传改良开辟了新的道路。
