鸡泛素蛋白连接酶Atrogin基因影响肌肉发育的分子机制研究

It has been proved that the chicken was domesticated from wild Red Jungle fowl (Gallus gallus) 8,000 years ago and formed a wide range of breeds in the process of domestication. Specialized commercial broilers came into being in the past decades characterized with rapid growth rate. Growth rate of ordinary domesticated chicken breeds is about 6-8 times faster than that of wild chicken, which has been further improved 5-10 times in commercial broilers. Evident differences exist between domesticated and wild chicken in muscle growth and development. Deciphering the genetic basis of these differences has great value in the aspects of biological science and agricultural economy. The homeostasis of muscle mass is maintained by protein synthesis and protein degradation. Ubiquitin E3 ligase--Atrogin plays an important role in muscle protein degradation. According to our pervious study, we found the expression of Atrogin was higher in wild chicken muscle than broiler, which implied that Atrogin might play an important role in muscle development. In this project, we set out to find the causative mutation in genomic level of Atrogin using high-throughput sequencing technology, and systematically study the mechanism underlying the gene differential expression. We aim to unveil the pattern of the variation in Atrogin caused by artificial selection in broiler. This study will help to illuminate the molecular mechanism of muscle development and apply to the chicken breeding.

现有的研究表明，家鸡大约在8千年前起源于原鸡，经过几千年的驯化形成不同的地方品种，最近100年以来的高强度选择，又形成了快大速长的商业化肉鸡品系。普通地方鸡生长速度约为原鸡的6-8倍，而商业肉鸡又进一步提高了5-10倍，在肌肉发育和生长上表现出巨大的差异，阐明这种巨大差异的遗传基础，无疑具有十分重要的科学意义和经济意义。肌肉组织蛋白质合成及代谢平衡对于正常发育有重要作用，泛素蛋白连接酶（Atrogin）是调控肌肉蛋白质代谢的关键因子。本课题组在前期研究中发现在红色原鸡肌肉组织中的Atrogin基因表达量远高于肉鸡，可能是影响鸡肌肉发育的重要因素。本项目通过高通量测序从基因组水平寻找致因突变，从转录水平、蛋白水平、通过个体和细胞学实验系统分析其差异表达的分子机制，探索鸡Atrogin基因及其染色体区段在人工选择作用下的变异模式，对鸡肌肉发育分子机制的阐明并进一步指导品种培育改良将有重要意义。

作为主要的农业经济动物之一，鸡在全世界范围内广泛的饲养，具有重要的经济价值。不同鸡种在生长、繁殖及抗病力等方面有很大的差异，阐明这些差异的遗传基础，无疑具有十分重要的科学意义和经济价值。本课题在前期红色原鸡与AA肉鸡肌肉组织转录组结果的基础上发现泛素蛋白连接酶Atrogin-1在品种间存在表达差异，泛素连接酶Atrogin-1是调控肌肉蛋白质代谢的关键因子，对肌纤维发育有重要的作用。本项目研究结果显示红色原鸡肌肉组织中的Atrogin-1基因表达量远高于肉鸡，且肌纤维更细。对胚胎及出生后Atrogin-1基因在茶花鸡和AA肉鸡骨骼肌组织中的表达量检测结果显示，Atrogin-1基因在茶花鸡中的表达量远高于AA肉鸡，表达差异是出生后第四天开始的，并且随着时间的推移越来越显著。对肌纤维表型的统计结果证明，Atrogin基因表达与肌纤维表型负相关。以上结果暗示Atrogin-1基因可能是导致不同鸡种肌肉发育表型差异的重要原因，因此有必要对品种间该基因差异表达的遗传机制进行研究，阐明其影响肌肉发育分子机理，为加快育种进程，提高生产效率，提供理论指导。.通过对 8 个不同生长速度的鸡种的Atrogin-1基因区域进行了深度测序，发现该基因在AA肉鸡中存在杂合度降低的现象，检测到显著的正选择信号，且这种现象在肉鸡品系中普遍存在，推测该基因区域内可能存在功能突变。双荧光素酶及凝胶阻滞实验证明，Atrogin-1 内含子4中的 chr2: 143,708,896 bp 位点在肉鸡中发生了G到A的突变，影响了该位点的增强子活性，并抑制了转录因子的结合，可能是导致Atrogin-1 在肉鸡中表达下调的重要原因。本项目研究结果对于禽类育种有重要的指导意义。