在西北農(nóng)林科技大學(xué)的秦川牛新品系育種基地里，一頭牛悠閑地坐在地上咀嚼，尖尖的牛角，在陽光的照耀下凸顯著它“神圣不可侵犯”的地位。

像這類反芻動(dòng)物，西北工業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境保護(hù)研究中心教授、中國科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所研究員王文，西北工業(yè)大學(xué)教授邱強(qiáng)和與其合作的西北農(nóng)林科技大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院教授姜雨等團(tuán)隊(duì)，和它們打交道已有多年。

“牛羊鹿等這些草食動(dòng)物大多沒有尖牙利爪，角既是它們面對(duì)捕獵者的自衛(wèi)工具，也是同類間爭奪配偶和領(lǐng)地的主要工具。”姜雨告訴《中國科學(xué)報(bào)》，這些角是如何發(fā)展而來，形狀為何五花八門。

6月22日，該聯(lián)合團(tuán)隊(duì)從遺傳學(xué)角度首次提出反芻動(dòng)物的角具有相同的細(xì)胞起源——頭部神經(jīng)嵴干細(xì)胞，其發(fā)育過程利用了基本相同的基因調(diào)控通路，為反芻動(dòng)物角具有單一的進(jìn)化起源和發(fā)生發(fā)育機(jī)制提供了證據(jù)。

相關(guān)論文刊登于《科學(xué)》。

同樣是角，為何差別這么大？

回到開頭，這頭牛其實(shí)并不在吃草，被飼養(yǎng)員“捧在手心里”的它早已吃飽喝足。為何還要“裝模作樣”地咀嚼食物?原來這都是“反芻”機(jī)制搗的鬼。

“這類動(dòng)物采食非常迅速，稍加啃咬就立馬吞下去了，但是它們吃的時(shí)候是沒有嚼碎的，所以很多食物都沒有消化。而它們的胃很特別，分為4個(gè)腔室，依次被稱為瘤胃、網(wǎng)胃、瓣胃和皺胃。其中主要進(jìn)行儲(chǔ)存和消化植物纖維的是瘤胃，它可以像嘔吐反射一樣，將沒有嚼碎的食物重新返回嘴里(反芻)。”姜雨說。

而在這些反芻動(dòng)物中，除此獨(dú)特的瘤胃外，其形狀各異的骨質(zhì)角更被認(rèn)為是動(dòng)物進(jìn)化史上器官形狀創(chuàng)新的奇跡。

王文告訴《中國科學(xué)報(bào)》，反芻動(dòng)物是現(xiàn)存唯一具有骨質(zhì)角的動(dòng)物類群，且不同科的反芻動(dòng)物具有不同形態(tài)的角。

王文介紹，“比如長頸鹿科的角由僅被皮膚和毛發(fā)覆蓋的骨突組成;?？频慕且灿幸粋€(gè)骨質(zhì)的核心，但被一個(gè)角質(zhì)鞘所覆蓋，終生生長，不分叉也不能再生;而鹿科動(dòng)物的角則周期性脫落，每年再生一次，在生長階段被稱為鹿茸。它的生發(fā)組織在鹿茸上方，所以會(huì)分叉生長。生長停止后，鹿茸會(huì)鈣化為鹿角，也沒有角鞘。”

尤其是鹿科，其犄角具有極快的生長速度。

每年春季到夏季，新生長出的鹿角大約長為1~2米，而這就意味著平均一天就能增長1.7~2厘米，細(xì)胞分裂增殖速度甚至超過了癌組織的生長速度。

而更為有趣的，就是這犄角生長堪稱“癌癥速度”的鹿科動(dòng)物，自身反而具有較低的癌癥發(fā)生率，其患病概率僅占其他物種的1/5。

同樣都是角，為何差別這么大?撇開顏值不說，憑什么鹿角還擁有這特殊的技能?

神奇鹿角開啟抑癌新技能

為此，研究人員采用進(jìn)化和比較基因組學(xué)手段，大數(shù)據(jù)比對(duì)尋找有角反芻動(dòng)物與其他哺乳動(dòng)物的基因組差異和角組織里表達(dá)的基因。

“首先我們要知道，這些角并不是本身連接頭部的骨頭，而是由組織產(chǎn)生的新器官。在發(fā)育過程中，它原本是一個(gè)獨(dú)立的小細(xì)胞團(tuán)，從神經(jīng)嵴細(xì)胞遷移過來。”姜雨團(tuán)隊(duì)對(duì)這些物種新鮮的組織進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組分析，并針對(duì)早期胚胎進(jìn)行染色等生理生化實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這些細(xì)胞逐步獨(dú)立發(fā)育成犄角的核心骨骼，最終與頭骨融為一體。

姜雨說：“就像嬰兒出生時(shí)擁有多達(dá)305塊骨頭，但是隨后部分骨頭可能融合，比如顱骨會(huì)由十幾塊融合為6塊。這說明細(xì)胞在分裂增殖過程中，它可以導(dǎo)致組織的融合。”

那么，為什么這些組織會(huì)發(fā)育成形狀各異的角，甚至出現(xiàn)無角情況?實(shí)驗(yàn)人員對(duì)犄角組織基因組表達(dá)進(jìn)行了分析。

通過比較不同類型的反芻動(dòng)物基因組和多達(dá)270個(gè)轉(zhuǎn)錄組，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)羊角和鹿茸具有相似的基因表達(dá)模式，其特異高表達(dá)的基因主要募集來自在骨、皮膚、腦和睪丸組織表達(dá)的基因。

這些角組織特異高表達(dá)基因，連同一些快速進(jìn)化基因都參與了神經(jīng)嵴細(xì)胞遷移通路，而這就意味著，反芻動(dòng)物的角可能具有相同的細(xì)胞“祖先”，即頭部神經(jīng)嵴干細(xì)胞。

“為什么有些動(dòng)物沒有角，很簡單，因?yàn)樗鼈兓?lsquo;壞了’。”姜雨說。

當(dāng)然，最令科學(xué)家感興趣的還是那神奇的鹿角，這種角極大引發(fā)了癌癥研究者的興趣。

邱強(qiáng)與王文聯(lián)合團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，多個(gè)原癌基因通路在鹿角組織被激活并發(fā)生遺傳改變，可能在調(diào)控鹿茸快速再生過程中發(fā)揮重要作用。

同時(shí)幾個(gè)重要的抑癌基因也發(fā)生了鹿科特異的遺傳改變，其可能強(qiáng)化了抑癌作用。

為什么鹿角能迅速增長且動(dòng)物本身不易得癌?

邱強(qiáng)及其合作團(tuán)隊(duì)將針對(duì)證明快速受控的細(xì)胞生長的潛在機(jī)制進(jìn)行研究，并對(duì)鹿角作為器官再生模型和癌癥模型做進(jìn)一步探索。

“這些將為癌癥治療和預(yù)防提供新的思路和方法。”邱強(qiáng)說。

從明天起，做一頭溫柔的牛

不過對(duì)于長期研究動(dòng)物育種的姜雨來說，此項(xiàng)研究最大的收獲還是有望培育出類似“無籽西瓜”等的新型變異反芻物種，譬如無角牛、無角羊等。

別看這些犄角平時(shí)威風(fēng)得很，在畜牧生產(chǎn)中它們可不受歡迎。

“有些牛的角非常碩大鋒利，用于對(duì)付天敵或互相爭斗。它們不但在同類間可能造成互相傷害，也可能傷害工作人員。”姜雨說，“所以使用無角的牛羊進(jìn)行畜牧生產(chǎn)，對(duì)于飼養(yǎng)員、擠奶工以及動(dòng)物自身的安全非常重要，此外，無角的反芻動(dòng)物還可以把用于長角的養(yǎng)分更多地用在產(chǎn)肉和產(chǎn)奶上。”

不過，想要選育出這類無角品種還面臨著極大的挑戰(zhàn)。一是種類尚未選育齊全。

雖然育種工作者投入大量精力選育無角的牛羊品種，利用基因編輯技術(shù)培育出了不會(huì)長角的黑白花奶牛，從而使小牛出生后無須經(jīng)歷被烙去牛角的痛苦過程，但用于山羊和綿羊基因編輯育種的無角突變至今還沒有被確證。

其次，選育出的新品種也未必帶來畜牧業(yè)增產(chǎn)。

“原本有角的奶牛若想選育成無角品種，需進(jìn)行無角品種的雜交，但是雜交后其產(chǎn)奶量可能會(huì)降低，反而造成了損失。不過，一家美國基因編輯育種公司已經(jīng)通過基因編輯對(duì)無角基因進(jìn)行定點(diǎn)突變，獲得高產(chǎn)奶量的無角黑白花奶牛。”姜雨說，為此團(tuán)隊(duì)正進(jìn)一步探索影響無角綿羊和無角山羊的無角基因的定點(diǎn)突變并進(jìn)行編輯。

王文表示，研究結(jié)果對(duì)于人類理解反芻動(dòng)物的演化歷史、再生醫(yī)學(xué)、腫瘤生物學(xué)，以及培育新品種家畜都有重要意義。