全基因组关联分析法研究猪生长发育特点
王琼萍 上海交通大学
全基因组关联分析法（genome-wide association study, GWAS）是建立在全基因组扫描的基础上进行全基因组范围单核苷酸多态（single nucleotide polymorphisms, SNP）挖掘，然后与性状进行关联分析，找出相关 SNP 乃至基因。GWAS 是指在全基因组层面上，开展多中心、大样本、反复验证的基因与相关性状的关联研究，全面揭示性状发生、发展相关的遗传基因。自 2005 年首次应用于研究年龄相关黄斑变性的应用上以来，GWAS 在复杂疾病的研究上已经开展了广泛的应用，如肥胖症、胃癌、II 型糖尿病、肺癌、冠心病、精神分裂症等。另外，在对猪的研究上，全基因组扫描已经定位了许多相关骨骼生长的 SNP；并且，全基因组关联分析已经在各个性状都已经有所应用，如繁殖、肉质、胴体组成、生长等性状。在高通量测序技术及基因芯片技术快速发展的情况下，GWAS 能够检测全基因组范围内的成千上万个 SNP 效应，通量非常高。并且在挖掘未知基因方面能够发挥其强大的功能，容易发现新的研究领域。但是，也正是由于这个方法所用的样本大、经费多，它也面临着挑战足够完善的统计方法来处理大批量的数据，并且由于目前的技术还不是很完善，加上费用问题，GWAS 也不是畜牧业最好的选择。
猪的生长发育决定于遗传因素以及环境的相互作用，而弄清这种遗传因素所处的地位和作用，不但有利于理解猪生长发育性状发生机理，并且有利于采用一定的方法改善生长发育性状，为我国的养猪产业带来深刻的变革。据统计，世界范围内猪肉的消费占了全部红肉消费的四分之三（全球年消费量为 7800 万吨，约十亿头，我国生产与消费占全球的 1/2，产值约 1 千亿人民币）。也就是说，猪肉是人们日常生活中非常重要的食物来源。疾病、繁殖性状、肉质性状作为公认的比较重要的性状已经在这个领域得到了很多的关注。需要指出的是，猪肌肉生长发育同样是重要的经济性状，它影响着猪的生长速度、瘦肉率等。但是，对于猪生长发育性状调控机理尚未清晰，严重阻碍了通过改良培育肉质优、繁殖力强、抗病性好各种优点集于一身的猪种目标。通过长期的研究，育种工作者对猪肌肉生长发育的调控机理做了研究，也确定了一些数量性状基因座（quantitative trait locus，QTL）、候选基因（candidategenes）等，但是对于具体的发生效应的分子机制研究得不深，能应用到育种实践中的尚少。在长期研究猪生长发育性状的过程中，科学家们主要经历了几个阶段，其中主要采用了候选基因法、全基因组扫描法以及全基因组关联分析法。这些方法各有其优点和缺点。近期，本课题组又提出了候选基因集法。此种方法主要基于先验知识，通过比较基因组学等手段，深入挖掘性状相关的候选基因集并进行验证。这种方法的优点在于克服了传统候选基因法的单一性，也克服了全基因组水平上的盲目性，提高了检测效率。
另外，随着基因芯片技术的发展，使基因表达检测水平取得了很大的进步。基因表达芯片已经全面应用到研究上来。而基因集富集分析法（gene set enrichment analysis, GSEA）在芯片数据的分析上已经得到广泛应用。这种方法是在定义基因集的基础上，通过表达谱芯片数据中基因表达量的分析，将这些基因针对显著性差异程度排列之后将基因富集到已定义的基因集中。通过基因集富集分析，可以将研究定位到通路水平上来，而不是仅仅关注个别基因。相对于针对单个基因分析，通路层面的分析可以针对多个基因共同作用于相关数量性状的发生以及彼此之间的联系。但是，由于猪的全基因组表达芯片研究较少，还是需要从模式生物上入手来进行猪的研究。而比较基因组学就提供了我们这样一种工具。
再者，对于数量性状基因座（quantitative trait loci, QTL）的研究已经经历了几十年的历史，在猪的 QTL 数据库中，已经储存着 6346 个来自 281 个不同研究的关于猪的 QTL。在这些 QTL 中，有相当数量的 QTL 是关于猪的生长发育性状的。但是，虽然这些 QTL 对于生长性状的巨大影响已经被检测出来，但由于它们的跨度覆盖了几百甚至上千个基因，这样就不能很好地阐释相关的基因影响到相关性状的具体机制。所以，我们需要用一定的方法从这些 QTL 内的基因找出关键基因，再加以具体分析，旨在阐释生长性状的具体发生机制。同样，学者在漫长的研究过程中也发现了很多单核苷酸多态（single nucleotide polymorphism, SNP），这些同样可以成为后续研究中不可或缺的资源。由于 SNP 作为标记的高密度性、稳定性、易检测等特点被广泛用于连锁分析及单体型构建。由于对猪的全基因组研究的不完善，至今没有一个完整的 SNP 库的存在。
培育优良品种、提高瘦肉比率、加快生长速度和提高繁殖率是我国养猪业发展面临的一个重要问题。未来我们的工作就是在本质上揭示动物生长发育机理，为猪种的遗传改良提供理论基础并最终应用于实践。因此，研究猪肌肉生长发育机理具有重大的理论与实践意义。
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