多组学整合分析揭示奶牛乳成分性状的遗传调控机制：从候选基因EFNA1到mTOR信号通路

本研究针对奶牛乳蛋白率(PP)和乳脂率(FP)的遗传调控机制这一关键科学问题，整合GWAS、RNA-seq、ATAC-seq和单细胞测序等多组学技术，鉴定出HPE2和LumSec-HSPH1等影响乳成分的关键细胞亚型，发现EFNA1等9个候选基因通过MAPK、AMPK、PI3K-Akt和mTOR信号通路调控乳成分合成，其中EFNA1的启动子可及性增加可能由CTCF和RXRA介导的转录激活驱动。该研究为提升乳品质提供了新靶点和理论依据。

　　

在人类对优质乳制品需求日益增长的背景下，奶牛乳蛋白和乳脂含量的遗传调控机制仍存在大量未知。尽管已知DGAT1、GHR等少数基因的作用，但90%以上的遗传因素尚未阐明。中国农业大学的研究团队在《Communications Biology》发表的最新研究，通过创新性的多组学整合策略，揭示了影响乳成分合成的关键细胞类型和分子网络。

研究采用16,188头中国荷斯坦牛的GWAS数据，结合576个肝脏和175个乳腺组织的cis-QTL数据，整合单细胞图谱（含1.79百万细胞）以及新生成的16个RNA-seq和14个ATAC-seq数据集。通过差异表达分析、染色质可及性检测、细胞类型解卷积等方法，系统解析了乳成分性状的遗传基础。

【GWAS与共定位分析发现候选基因】

研究首先对16,188头奶牛进行GWAS分析，鉴定出与FP相关的529个SNP（染色体5）和与PP相关的1,210个SNP（染色体14）。共定位分析发现15个SNP调控16个基因表达，如rs209782686调控肝脏EFNA1表达，rs110598082调控乳腺HSTN表达。已知基因DGAT1和ABCG2被成功验证，同时发现新候选基因如MAPK15和PRKAA1。

【组织异质性分析】

整合94个肝脏和42个乳腺RNA-seq样本，发现914个差异表达基因。肝脏高表达基因富集于胆汁分泌和PPAR信号通路，而乳腺基因与PI3K-Akt信号通路相关。ATAC-seq显示肝脏染色质可及性显著高于乳腺，50,186个差异峰主要位于远端基因间区。

【肝脏多组学分析】

比较高低PP/FP组发现：

• RNA-seq：149个上调、319个下调DEGs

• ATAC-seq：21,750个上调、1,415个下调峰

  重叠的158个基因与氨基酸代谢、MAPK和mTOR通路相关。启动子区motif分析预测PPARG、RXRA等核心转录因子。单细胞解卷积显示肝脏66.44%为肝细胞，其中HEP0-HEP3亚型显著富集GWAS信号。

【乳腺多组学分析】

鉴定出：

• 395个上调、786个下调DEGs

• 9,195个上调、4,004个下调ATAC峰

  关键基因TRIM46在高低组间呈现差异表达和染色质可及性变化，可能受ETS家族TF调控。HSTN在乳腺luminal细胞中高表达，其SNP rs110598082共定位概率达0.999。

【调控网络构建】

最终确定9个核心基因：

• EFNA1：通过ERBB3激活PI3K-AKT-mTORC1通路

• TRIM46：促进AKT活性，激活MAPK信号

• CIDEA：抑制AMPK间接激活MTOR1

• DEPTOR：抑制mTOR1活性

• HSTN：直接参与蛋白分泌

  这些基因在肝脏HEP0-HEP3和乳腺LumSec-HSPH1细胞中高表达，构成乳成分合成的核心调控网络。

该研究的创新性体现在：首次系统整合奶牛多组学数据解析乳成分性状；发现EFNA1等新候选基因；阐明CTCF/RXRA介导的转录调控机制。尽管样本量限制（8头奶牛）可能影响统计效力，但研究为精准育种提供了新靶点，如通过调控EFNA1表达可能提升乳蛋白含量。未来需在群体规模验证和基因编辑实验方面深入探索。