利用抗体蛋白质组技术鉴定影响奶牛产奶性状的功能基因和调控网络

The rapid development of the antibody-based proteomics technology provides a strong technologic tool for whole proteomics study, which makes it possible to identify functional genes and analyze the regulatory network for complex traits on the whole proteomic level. This technology has been successfully used in human and model organism and use of this technology has become a new trend in genetic analysis of complex traits. In this project, we will generate the first high throughput antibody microarray based on the comprehensive monoclonal antibody library of dairy cattle. Then, using the antibody microarray, we will investigate the tissue-specific differentially expression proteins in mammary gland and liver of dairy cattle. Subsequently, we will detect the whole-proteomically differentially expressed proteins and potential functional proteins in mammary gland and liver tissues of cows with extreme phenotypes of milk production traits. Further, based on these results, the results we obtained in our previous studies on milk production traits on genomic and transcripomic levels, and the relevant bio-information available from the public biological databases, we will perform integrative multi-omics analysis to identify the candidate functional genes and regulatory pathways responsible for milk production traits. The functions of the most promising candidate genes or genetic variants will be validated in cattle mammary epithelial cell lines. It is expected that the results of this project will offer evidences for revealing the genetic mechanisms of milk production and molecular information for molecular breeding in dairy cattle.

近年来快速发展的抗体蛋白质组技术为全蛋白质组研究提供了新的技术支撑。目前这一技术已在人类和模式生物中得到成功应用，利用抗体组技术对复杂性状进行功能基因挖掘和调控网络解析也成为新的研究趋势。本项目拟在已构建的奶牛单克隆抗体库基础上，开发首个高通量奶牛抗体组芯片。利用该芯片筛选奶牛泌乳期乳腺和肝脏组织特异性表达蛋白，并对产奶性状表型极端个体的乳腺和肝脏组织进行全蛋白质组学分析，筛选高、低产组和不同泌乳期间的乳腺和肝脏组织差异表达蛋白及潜在的功能蛋白。基于系统生物学策略，将所获结果与本课题组前期在基因组和转录组水平对奶牛产奶性状的研究结果以及从公共生物信息数据库中的相关信息进行整合，全面挖掘产奶性状功能基因、解析基因调控通路和蛋白互作网络，同时挑选重要候选基因在奶牛乳腺上皮细胞中进行生物学功能验证。项目研究成果将为全面解析奶牛产奶性状遗传机理提供重要依据，并为奶牛分子育种提供重要分子信息。

挖掘产奶性状功能基因及其调控网络，不仅具有重要生物学意义，对奶牛分子育种也具有重要的实际意义。近年来抗体蛋白质组技术为蛋白质组研究提供了新的技术手段。本项目在已构建的奶牛单克隆抗体库基础上，开发首个奶牛抗体组芯片，利用该芯片检测乳腺等不同组织的特异性表达蛋白及不同表型间差异表达蛋白，整合课题组多组学数据，筛选产奶性状重要候选蛋白/基因进行系统功能验证。通过构建荷斯坦奶牛资源群体对重要候选基因进行SNP检测和分型，在群体水平验证候选基因遗传效应。以奶牛乳腺上皮细胞为模型，利用基因干扰、过表达等方法验证候选基因S100A9、EIF3D、CPSF1和 HSF1功能，发现过表达S100A9后，奶牛乳腺上皮细胞内乳蛋白基因的蛋白表达量显著上升，干扰S100A9后，奶牛乳腺上皮细胞内乳蛋白合成相关基因的蛋白表达量显著下降。过表达EIF3D后，乳蛋白合成基因的表达量显著降低，而细胞内甘油三酯含量显著提高；干扰EIF3D后，乳蛋白合成相关基因的蛋白表达量显著上升，而细胞内甘油三酯含量显著下降。过表达CPSF1后，乳脂合成和代谢相关基因的表达量显著上调，干扰CPSF1基因后，乳脂合成和代谢相关基因的相对表达量显著下调。过表达HSF1后，乳蛋白合成基因的蛋白表达量显著降低，而乳脂合成和代谢相关基因的相对表达量显著上调；干扰HSF1后，乳蛋白基因的蛋白表达量显著升高，而乳脂合成和代谢相关基因的相对表达量显著下调。随后，利用转录组、免疫荧光等技术进一步挖掘候选基因重要调控通路，发现TCA循环、PI3K-Akt、mTOR、精氨酸脯氨酸的代谢等信号通路对产奶性状可能发挥重要作用。本项目结果有助于深入解析奶牛产奶性状遗传基础及分子机制，为奶牛产奶性状的分子育种提供重要参考依据。