2019年6月21日，國際權威學術期刊《科學》在線刊發了西北農林科技大學動物科技學院教授姜雨研究團隊與西北工業大學等9家國內外單位的聯合研究成果——“反芻動物角發生發育和鹿茸快速再生的遺傳基礎”。
這項研究從遺傳學角度首次提出反芻動物的角具有相同的細胞起源——頭部神經脊干細胞，并指出其發育過程利用了基本相同的基因調控通路，從而為證明反芻動物角具有單一的進化起源和發生發育機制提供了證據。
一個有趣科學問題的提出
反芻動物是超過200種特殊的陸生草食動物的統稱，其包含了常見的家畜如牛、羊等，是世界上最成功的哺乳動物類群之一，分布極廣且數量龐大。
自2015年起，西北工業大學、西北農林科技大學、丹麥哥本哈根大學等單位就合作啟動了“反芻動物基因組計劃”，試圖通過該計劃闡述反芻動物的適應性進化，幫助人們深刻理解反芻動物在眾多草食動物中制勝的秘訣。
由于沒有尖牙和利爪，所以頭上長角對于草食動物而言是一個很大的競爭優勢，其既可以成為它們面對捕獵者的自衛工具，也是同類間爭奪配偶和領地的主要武器。
絕大多數頭上長角的動物都屬于反芻動物的有角下目，有角下目的動物也是現存唯一一類頭顱上有骨質附屬物的哺乳動物，而這個附屬物就是大家熟知的骨質角（在此應與簡單由皮膚衍生的犀牛角區別開來）。
有角下目不同動物類群有各自形態獨特的角。如長頸鹿科的角由僅被皮膚和毛發覆蓋的骨突組成。牛科的角有一個骨質的核心，但被一個角質鞘所覆蓋，其終生生長，不分叉也不能再生。鹿科動物的角則會周期性脫落，每年再生一次，在生長階段時被稱為鹿茸，它的生發組織在鹿茸上方，所以會分叉生長；生長停止后，鹿茸會鈣化為鹿角，也沒有角鞘。還有部分有角下目的動物不長角，比如麝和獐子。
那么牛角、羊角和鹿角的發育生長是否由相同的基因通路控制？骨質角是來自一次起源還是多次起源？這些既是懸而未決的歷史難題，也是有趣的科學問題。
作為反芻動物種間種內競爭的工具，角不利于畜牧生產管理。因此在畜牧生產實踐中，為了方便管理，飼養者會對新生小牛和小羊進行人工去角。通常的做法是用烙鐵在角發生的位置破壞角基質，但這樣不僅浪費大量的人力、物力，也給小牛、小羊等帶來極大痛苦，不利于動物福利。因此，培育無角牛羊便成為育種工作者的目標。
2016年夏天，姜雨團隊利用“反芻動物基因組計劃”組裝出來的反芻動物基因組，對角這個反芻動物特有的新器官產生的遺傳學基礎開始了系統性研究，以期能夠解答上述問題，同時希望能夠反映動物器官起源的普適性原理，解析控制角生長發育的基因，為選育無角牛羊品種做好基礎性工作。
一個問題套著一個問題
在先前無角牛羊研究的基礎上，姜雨團隊通過比較不同類型的反芻動物基因組和多達270個轉錄組，發現羊角和鹿茸具有相似的基因表達模式，其特異高表達的基因主要募集于在骨、皮膚、腦和睪丸組織表達的基因。
研究團隊發現，這些角組織特異高表達基因，連同一些快速進化基因都參與了神經脊細胞遷移通路。于是，研究人員從遺傳學角度首次提出反芻動物的角具有相同的細胞起源——頭部神經脊干細胞，從而為證明反芻動物角具有單一的進化起源提供了遺傳學證據。
那么，麝和獐子為什么沒有角？通過構建反芻動物全基因組數據的高可信度系統發育樹，我們可以明確看出麝科和獐亞科獨立丟失了它們的角。通過比較麝和獐子與其他反芻動物的基因組，姜雨團隊探究了兩個譜系中由于提前成熟的終止子和移碼框突變導致的289假基因，發現RXFP2是趨同假基因中唯一一個無角基因。更有趣的是，在RXFP2基因上的突變也是造成無角綿羊品種產生的原因。總體上說，這些結果表明，RXFP2的假基因化極有可能是麝科和獐亞科發生趨同的第二次頭飾丟失的潛在機制。
那么鹿角為什么能再生？作為哺乳動物中唯一能夠完全再生的器官，鹿角為再生生物學提供了一個獨特的模型。鹿茸再生是一種基于干細胞的過程，姜雨團隊通過研究證明了鹿茸干細胞可能來源于頭部神經嵴干細胞，它具有快速增殖和分化為軟骨和神經細胞的潛力，同時發現神經生長因子（NGFR）基因在鹿茸組織中強烈且特異表達。這一發現與神經生長因子促進鹿角神經生長的發現一致，證實神經過程與鹿角年度再生密切相關。
另一方面，鹿角也具有極快的生長速度。例如，馬鹿鹿茸的平均生長速度為1.7厘米/天，重量可達30公斤。由于極快的細胞增殖，這些鹿茸每年從春季到夏季的再生速度甚至超過了癌組織的生長，從而為人們提供了骨癌的研究模型。
本研究還發現，多個原癌基因通路在鹿角組織被激活并發生遺傳改變，可能在調控鹿茸快速再生過程中發揮了重要作用。同時，幾個重要的抑癌基因也發生了鹿科特異的遺傳改變，其可能強化了抑癌作用。
因此，進一步的功能研究將在證明快速但受控的細胞生長的潛在機制，以及探索鹿作為器官再生模型和癌癥模型方面具有重要的科學意義，為癌癥治療和預防提供新的思路和方法。
此次能夠代表西北農林科技大學在《科學》發文，為“雙一流”建設添磚加瓦，姜雨發自內心地感到喜悅。但對于成績的取得，姜雨顯得十分謙虛。
“一是學校建設的高性能計算平臺為相關研究提供了計算資源，推進項目快速進行；二是得益于創新性提出角起源的細胞基礎和鹿茸快速再生可作為癌癥研究模型的新穎的研究思路；三是得益于國內外10家研究單位的通力合作。”姜雨對《科學新聞》表示。
當今生物學研究已經發展為大科學研究，需要大量經費和人力投入。姜雨口中的10家研究單位，除了西北農林科技大學外，還包括西北工業大學、中國農業科學院、哥本哈根大學、中科院昆明動物研究所、四川養麝研究所、石河子大學、新疆畜牧科學院、美國Recombinetics公司以及深圳華大基因研究院。正是得益于這些國內外單位的通力合作，牛、羊、鹿的長角之謎才最終得以揭開。■
《科學新聞》 (科學新聞2019年8月刊 科學傳播)