中國(guó)農(nóng)大新聞網(wǎng)訊 近日，國(guó)際著名生物學(xué)綜合期刊“eLife”在線發(fā)表我校動(dòng)科學(xué)院連正興教授團(tuán)隊(duì)的研究論文《CRISPR/Cas9產(chǎn)生的MSTNDel73C突變和FGF5敲除促進(jìn)綿羊骨骼肌肌纖維增生》（A MSTNDel73C mutation with FGF5 knockout sheep by CRISPR/Cas9 promotes skeletal muscle myofiber hyperplasia）。該研究首次構(gòu)建了MSTN和FGF5雙基因編輯的高產(chǎn)肉“雙肌”綿羊，揭示了雙基因編輯促進(jìn)肌纖維增生的分子機(jī)制。
肌肉的產(chǎn)量和質(zhì)量是畜禽重要的經(jīng)濟(jì)性狀，是驅(qū)動(dòng)畜牧生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益最大化的核心要素。羊肉味道鮮美，富含蛋白質(zhì)、維生素 D、鈣和鐵等，是人類消費(fèi)的重要肉類之一。加快培育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)肉羊新品種，提高肉品質(zhì)是我國(guó)畜禽生物育種領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題。肌肉生長(zhǎng)抑制素（Myostatin, MSTN）和成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子5（Fibroblast growth factor 5, FGF5）分別為肌肉發(fā)育和毛發(fā)生長(zhǎng)的負(fù)調(diào)控因子，利用 CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)制備MSTN和FGF5基因編輯動(dòng)物，可極大改善畜禽產(chǎn)肉量和產(chǎn)毛量，強(qiáng)化種業(yè)“芯片”，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
本研究通過(guò)優(yōu)化Cas9 mRNA與sgRNA的遞送比例至1：10，顯著提高了雙等位基因純合突變的效率。基于此制備的MSTN和FGF5雙基因編輯綿羊的MSTN基因第3外顯子缺失AGC 3個(gè)堿基，造成Myostatin蛋白成熟區(qū)第73位半胱氨酸的缺失，F(xiàn)GF5基因產(chǎn)生了5 bp和37 bp缺失的復(fù)合雜合突變類型，從而培育出了兼?zhèn)涓弋a(chǎn)肉、低脂肪沉積和高產(chǎn)細(xì)毛的綿羊新品種。F0和 F1代突變體都突出了高產(chǎn)肉的優(yōu)良特性，單位面積中的肌纖維數(shù)量顯著增加，表現(xiàn)為肌纖維增生的特性。
機(jī)制研究發(fā)現(xiàn)，MSTN和FGF5雙基因編輯介導(dǎo)MEK-ERK途徑激活FOSL1，活化的FOSL1一方面通過(guò)加速細(xì)胞周期從G0/G1期向S期的轉(zhuǎn)換促進(jìn)細(xì)胞增殖，另一方面通過(guò)抑制MyoD1的表達(dá)抑制綿羊骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞的肌源性分化，導(dǎo)致融合形成的肌管數(shù)量更少、肌管直徑更小，并最終導(dǎo)致肌纖維增生。此外，MSTN和FGF5雙基因編輯可能通過(guò)激活ERK1/2抑制鈣離子依賴性CaMKII的激活和CaMKII依賴性肌管驅(qū)動(dòng)的不對(duì)稱融合并介導(dǎo)肌纖維增生。本研究為優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)肉羊新品種培育提供理論依據(jù)和參考價(jià)值，新制備的雙基因編輯綿羊?yàn)楣趋兰∩L(zhǎng)發(fā)育以及肌肉萎縮和肌肉減少癥等肌肉疾病提供了極好的模型。
中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)為該論文的第一完成單位，動(dòng)科學(xué)院博士陳明明、博士后趙越、副教授于坤為論文的共同第一作者，連正興教授和呂鋒驊副研究員為論文的共同通訊作者。該研究得到了農(nóng)業(yè)生物育種重大項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的資助。
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