转录组测序揭示了与千华肉羊绵羊毛囊发育相关的关键基因

《Frontiers in Veterinary Science》：Transcriptome sequencing reveals the key genes associated with hair follicle development in Qianhua Mutton Merino

本研究通过对比新生与一岁Qianhua Mutton Merino羊毛囊形态变化及转录组数据，发现毛囊密度随年龄增长显著下降而S/P值升高，并鉴定出KRT27、IGF-2、FGF21、VEGF-D等关键基因，揭示PI3K-Akt、MAPK及雌激素信号通路在毛囊发育中的调控作用。

　　
该研究以我国特有的双功能绵羊品种——Qianhua Mutton Merino为对象，通过对比新生（1日龄）与成年（12月龄）个体毛囊形态学特征及转录组动态变化，系统解析了毛囊从发育不完全到成熟的全过程分子调控机制。研究团队采用组织学联合转录组测序的技术策略，构建了包含形态学参数、差异表达基因（DEGs）及信号通路富集分析的三维研究框架，为羊毛品质性状的分子育种提供了重要理论支撑。

在形态学分析方面，HE染色显示新生个体毛囊密度显著高于成年阶段（p<0.05），但单位毛囊面积（S/P值）呈现反向变化趋势。新生期 primary follicles（PF）密度达8.15/mm2，次级毛囊（SF）密度61.81/mm2，而成年期PF密度下降至4.38/mm2，SF密度仍维持在55.31/mm2，但S/P值提升至12.64，表明成年后毛囊结构趋于成熟且单位面积毛囊数量减少。这种形态变化与羊毛纤维直径增大（p<0.05）和毛囊体积缩小（p<0.05）的量化数据相吻合，揭示了毛囊密度与成熟度之间的动态平衡关系。

转录组测序分析共鉴定出1637个DEGs，其中1134个基因在成年期表达上调，503个基因表达下调。值得注意的是，KRT家族基因（如KRT16、KRT25、KRT26、KRT27、KRT33、KRT39）在毛囊发育过程中展现出显著协同表达特征。其中KRT27基因在成年期毛囊基底层（inner root sheath）的免疫组化定位证实其表达水平较新生儿期提升2.3倍（p<0.01），并通过实时荧光定量PCR验证了该基因在毛囊形态建成中的关键作用。

信号通路富集分析揭示出PI3K-Akt、MAPK及雌激素信号三大核心通路。PI3K-Akt通路相关DEGs包括IGF2、FGF21和VEGF-D，这些基因的协同调控可能通过激活AKT激酶磷酸化效应，促进毛囊干细胞增殖和血管化过程。MAPK通路中的PDGFRA、VEGF-D等基因与毛囊形态建成存在显著相关性（p<0.01），提示该通路在调控毛囊周期性生长中起枢纽作用。雌激素信号通路的ESR1、KRT27等基因表达上调，可能通过激活ERK1/2级联反应（GO:0070374）促进毛囊从生长期向退行期过渡。

通过STRING蛋白互作网络分析发现，KRT27作为核心调控节点，与KRT26（p<0.05）、KRT39（p<0.01）等7种 keratin基因形成特异性互作网络。该发现与已报道的角蛋白基因在毛囊形态建成中的协同作用机制相吻合。进一步比较分析显示，成年期毛囊中KRT27表达量较新生儿期提升2.8倍，且其表达产物在毛囊基底层形成高密度免疫染色斑块，这种空间特异性表达模式与毛囊发育阶段密切相关。

研究还发现次级毛囊的持续发育机制具有独特性。尽管新生期PF密度高于SF（8.15 vs 61.81/mm2），但成年期SF密度仍保持55.31/mm2，其毛囊结构成熟度显著提升。这种表型差异在转录层面表现为FGF21（上调3.2倍）、VEGF-D（上调4.7倍）等生长因子的持续激活，以及MMP2（下调1.8倍）等降解因子的抑制。通过KEGG富集分析确认的ECM-受体互作通路（p=0.003）和钙信号通路（p=0.017）可能共同参与毛囊基质的动态重构。

在验证环节，研究团队构建了包含11个核心基因的RT-qPCR验证体系，结果显示CPT1A、KRT25等8个基因上调倍数与转录组数据高度一致（R2=0.92），而HSD11B1等5个基因下调趋势与测序结果吻合度达89%。特别值得注意的是，KRT27基因在毛囊毛乳头（dorsal papilla）区域的特异性表达模式，通过免疫组化定位和定量分析（AOD值提升2.4倍）得到双重验证，这为解析角蛋白基因在毛囊分化的时空特异性表达提供了关键证据。

该研究在方法论层面创新性地引入"收缩率校正"技术，通过比较染色面积与活体样本面积（校正系数0.61 vs 0.78），有效解决了组织脱水收缩导致的形态学测量偏差问题。在数据质量控制方面，测序深度达到6.90G（有效数据占比97.12%），Q30值稳定在97.40%以上，确保了后续生物信息学分析的可靠性。

研究结论表明，Qianhua Mutton Merino羊毛品质性状的形成是多重分子机制协同作用的结果：① PI3K-Akt/IGF2信号轴主导毛囊干细胞增殖；② MAPK/FGF21通路调控毛囊形态建成；③ 雌激素信号通过KRT27-KRT26互作网络影响角蛋白合成。这些发现不仅完善了绵羊毛囊发育的分子调控图谱，更为培育高羊毛产量和品质的双功能羊种提供了精准的分子标记（如KRT27、VEGF-D等）和调控靶点。

值得关注的是，该研究首次系统揭示了双功能绵羊品种在毛囊发育过程中的独特生物学特征。相较于纯种羊毛用品种，Qianhua Mutton Merino表现出更显著的毛囊密度调节能力（新生期密度比对照高23%）和更高效的角蛋白合成效率（KRT27表达量高2.8倍）。这种表型差异可能与其快速生长的肉用特性相关，研究团队通过计算建模发现，毛囊发育速率与体质量增长呈正相关（R2=0.81），这为后续构建羊毛产量与生长性能的联合育种模型奠定了理论基础。

该研究在方法论上实现了三个突破：首先，建立了包含形态学参数（密度、S/P值）、转录组特征（DEGs数量、通路富集度）和蛋白质互作网络的三维分析模型；其次，创新性地采用"双阶段验证"策略（转录组测序+RT-qPCR+免疫组化），确保关键基因发现的可靠性；最后，通过比较基因组学方法，将Qianhua Mutton Merino的毛囊发育特征与Dorper绵羊、 Cashmere山羊等近缘品种进行横向对比，发现其KRT家族基因表达模式具有独特的进化特征。

未来研究可沿着三个方向深入：① 构建毛囊发育多组学数据库，整合转录组、蛋白质组及表观遗传数据；② 开发基于KRT27/FGF21的分子标记辅助选择体系；③ 研究饲料添加剂（如维生素D3、植物甾醇）对上述信号通路的调控效应。这些方向将有助于实现羊毛产量与肉用性能的协同优化，推动我国特色绵羊品种的分子育种进程。