2025-07-15
文章題目：FRRS1L variants and ferriheme overload drive hyperpigmentation and systemic iron overload in lapping black bone sheep
本研究由中國農業大學動物科技學院鄧學梅團隊，于2025年6月25日在Cell & Bioscience期刊在線發表，本研究的轉錄組測序以及部分數據分析工作由上海派森諾生物科技股份有限公司完成。
文章亮點
深山奇羊，待解之謎
烏骨羊，這一珍稀的綿羊種群，僅發現于我國云南蘭坪、劍川、香格里拉等橫斷山脈高海拔地區。其外表與普通綿羊無異，但剖開軀體，可見骨骼烏黑、內臟深褐、肌肉暗紅，血液更是呈現罕見的暗黑色。自2001年被科學記載以來，其黑色本質一直成謎，早期推測與烏骨雞類似，源于黑色素細胞在胚胎期的異常遷移，引發黑色素沉積。然而，一直缺乏確鑿的遺傳證據。作為自然賜予的獨特模型，解析烏骨羊黑色之謎不僅具有重要的基礎科學意義（探索色素沉積的新機制），更蘊含著巨大的潛在經濟價值（特色健康食品與生物醫藥資源）。中國農業大學鄧學梅教授團隊聯合國內外科研機構，歷經數年攻關，終于揭開了這一自然奇跡的面紗。
摘 要
烏骨羊（Lanping Black Bone Sheep, LP-BBS）是發現于中國云南橫斷山脈高海拔地區（2000-4000米），世界獨一無二的珍稀綿羊遺傳資源，其骨骼、內臟、肌肉乃至血液均呈現獨特的暗黑色，在民間被視為滋補佳品。但長久以來，其烏質特性的本質始終沒有得到科學解釋。曾被誤認為是類似烏骨雞的黑色素沉積所致。該項研究綜合利用基因組學、轉錄組學、組織病理學、細胞生物學及生物化學等多學科技術，系統解析了烏骨羊的“烏骨”之謎。研究發現，烏骨羊的全身性色素沉著實為高鐵血紅素（Ferriheme）過載所致，這是一種由血紅蛋白代謝異常引發的遺傳性全身性鐵過載綜合征。全基因組關聯分析（GWAS）和選擇信號掃描，鎖定關鍵調控基因FRRS1L，其3’非翻譯區（3’-UTR）的特異性突變（g.4852G>T 和 g.1016C>A）顯著降低了該基因在巨噬細胞和網狀內皮細胞中的表達。功能研究表明，FRRS1L蛋白通過其DOMON結構域參與血紅素/鐵識別，其表達不足導致巨噬細胞內三價鐵還原能力下降，從而引發高鐵血紅素在全身多臟器（腎、肝、脾、肺、淋巴結、生殖系統等）累積，表型呈現“烏質”特征。高鐵血紅素沉積伴有局部氧化應激、系統性炎癥及器官損傷（如腎小管損傷、卵泡閉鎖），高海拔低氧環境被發現是烏質表型發生的重要協同因素。該研究首次揭示了FRRS1L基因在鐵代謝中的全新功能，首次提出了哺乳動物全身性高鐵血紅素過載的自然模型，為人類鐵過載相關表型（如血色素沉著癥）的研究提供了新視角和新靶點。同時，也為烏骨羊作為特色高鐵血紅素富集家畜產品和潛在藥用價值的遺傳資源的科學保護、分子育種及高附加值產品（高鐵功能性肉制品、鐵補充劑）的開發奠定了科學基礎。未來研究將聚焦于FRRS1L調控鐵代謝的精細機制、環境-基因互作模型優化及烏骨羊加工產品的深度開發。
結果與分析
1. 黑色本質揭秘：非黑色素，乃高鐵血紅素過載
研究團隊首先排除了黑色素沉積的可能性：
組織學與免疫組化：烏骨羊色素沉著組織中缺乏黑色素細胞標志物（酪氨酸酶、S-100、MITF）。
關鍵基因表達：調控黑色素合成的核心基因（TYR, MC1R, Agouti）在烏骨羊（LP-BBS）與同地域普通羊（LP-NBS）間的表達無顯著差異。
色素化學分析：高效液相色譜（HPLC）與質譜（HPLC-MS）鑒定明確顯示，提取的黑色物質其吸收峰與標準品高鐵血紅素（Ferriheme，峰值為氯化高鐵血紅素）高度匹配，顯著區別于烏骨雞黑色素或墨魚汁黑色素 (圖1G, H)。深入分析揭示了鐵代謝相關指標的表現：
血液生理指標變化：烏骨羊紅細胞計數、血紅蛋白濃度、血清和腎臟中鐵含量均極顯著高于普通羊，而負責鐵轉運的轉鐵蛋白（Transferrin）水平顯著降低 (圖1D, E, F)。
組織學變化：高鐵血紅素廣泛沉積于全身各系統的巨噬細胞和網狀內皮細胞內 (圖1B, C)，伴有顯著氧化應激（谷胱甘肽過氧化物酶GPX1/GSH-PX、丙二醛MDA升高，圖2A, B) 和系統性輕度炎癥（多器官炎性細胞浸潤，圖2D），導致少量腎小管上皮細胞損傷壞死 (圖2C) 及輕度生殖系統病變（卵泡閉鎖、子宮細胞部分壞死，圖2E)。
結論1：烏骨羊的“烏骨”現象本質是血紅蛋白代謝障礙導致的全身性高鐵血紅素過載，伴隨系統性鐵代謝紊亂和多器官病理損傷。
圖1. 烏骨羊的烏質表型與黑色物質特征鑒定
圖2. 烏骨羊體內色素沉積對組織器官的潛在影響
2. 基因尋蹤：鎖定FRRS1L及其關鍵突變
為追溯鐵代謝異常的遺傳根源，團隊展開了系統基因組學研究：
群體遺傳與選擇信號分析：對來自橫斷山脈不同海拔地方的烏骨羊（LP-BBS, n=16）、同地域非烏骨羊（LP-NBS, n=5）及周邊其他普通羊種群（n=26）進行基因組測序（NGS）。基于群體分化指數（Fst）和核苷酸多樣性比值（θπ）分析，篩選出677個受選擇基因。功能富集顯示這些基因與離子通道、金屬結合（尤其是鎂、鋅）及轉移酶活性相關，暗示其可能與血紅素代謝和鐵轉運存在關聯。
全基因組關聯分析（GWAS）：利用烏骨羊公羊（n=3）與薩福克母羊（n=42）雜交建立的具有清晰鐵過載表型分離的群體（n=42）進行GWAS分析，鑒定出與表型顯著關聯的SNP位點。
關鍵基因定位：將NGS選擇信號與GWAS結果聯合分析，成功鎖定位于綿羊2號染色體上的FRRS1L (Ferric Chelate Reductase 1 Like) 基因 (圖3E)。該基因編碼的蛋白含有DOMON結構域，已知參與血紅素和鐵的識別。
關鍵突變驗證：在FRRS1L基因的3’-UTR區域發現兩個特異性高頻突變位點：g.4852G>T (T等位基因頻率在LP-BBS中達0.92) 和 g.1016C>A (A等位基因頻率在LP-BBS中達0.79)。這兩個突變在非烏骨羊群體中頻率均為0 (圖4F)。群體遺傳分析表明該表型可能受主效基因控制并受多基因修飾，呈顯性遺傳模式。
結論2：FRRS1L是導致烏骨羊高鐵血紅素過載的關鍵候選基因，其3’-UTR區域的特異性突變（g.4852G>T 和 g.1016C>A）與表型高度關聯。
圖3. 烏骨羊基因組選擇信號定位和關鍵調控基因挖掘
3. 機制解析：FRRS1L突變導致其蛋白表達下調，引發細胞內鐵氧化還原失衡
為闡明FRRS1L突變如何導致“烏質”表型，團隊進行了深入的功能驗證：
突變影響基因表達：對FRRS1L 基因3’-UTR區域（含6個SNP）進行雙熒光素酶報告基因檢測，證實g.4852G>T (SNP6) 和 g.1016C>A (SNP2) 能顯著降低報告基因表達，尤其是g.4852G>T (圖4B)。這與烏骨羊組織中FRRS1LmRNA和蛋白表達水平均顯著低于普通羊的結果一致 (圖4C-E)。
細胞模型驗證：體外培養普通羊（無色素沉著）的肺泡巨噬細胞。當暴露于烏骨羊來源的高鐵血紅素時，巨噬細胞能吞噬高鐵血紅素 (圖5B)。更重要的是，利用RNA干擾技術特異性敲低巨噬細胞內源性的FRRS1L或其同源物FRRS1的表達后，細胞質內出現大量高鐵血紅素顆粒沉積 (圖5D)，成功復現了烏骨羊體內的表型。HPLC分析確認細胞累積的色素即為高鐵血紅素 (圖5E, F)。同時，高鐵血紅素的積累或FRRS1L敲低會上調血紅素合成關鍵基因（ALAS1, FECH）的表達 (圖5C)，形成反饋循環。
結論3：FRRS1L 基因3’-UTR突變（尤其g.4852G>T）通過降低其mRNA穩定性或翻譯效率，導致巨噬細胞中FRRS1L蛋白表達不足。FRRS1L功能缺陷阻礙了巨噬細胞對血紅蛋白降解產物（鐵血紅素）的有效處理和還原，導致高鐵血紅素累積，引發全身性鐵過載，并伴有輕度氧化應激和炎癥損傷。高海拔低氧環境可能通過增加血紅蛋白合成和血管通透性等因素，協同促進該色素發生和在全身多組織器官中的沉積。
圖4. FRRS1L在烏骨羊體內的表達
圖5. FRRS1L表達與高鐵血紅素沉積的體外細胞驗證
結論與展望
本研究首次系統揭示了烏骨羊全身性色素沉著的分子本質：FRRS1L基因3’-UTR關鍵突變導致其蛋白表達下調，引發血紅蛋白中鐵離子氧化還原異常和高鐵血紅素全身性過載，而非傳統認為的黑色素沉積。這不僅解開了困擾多年的“烏骨”之謎，更取得了多項突破性科學發現：
1.鑒定基因新功能：首次將FRRS1L基因與系統性鐵代謝調控聯系起來，拓展了對鐵穩態分子網絡的認識，為研究人類鐵過載相關表型（如非HFE型血色素沉著癥）提供了全新視角和潛在治療靶點。
2.建立寶貴動物模型：烏骨羊是世界上首個被鑒定的哺乳動物全身性高鐵血紅素過載自然模型，為研究鐵代謝異常的病理生理機制、基因-環境（尤其是低氧）互作以及潛在干預策略提供了不可多得的活體研究平臺。
3.闡明獨特環境適應性：研究揭示了高海拔低氧環境在烏骨羊表型形成中的重要作用，為理解動物在極端環境下的適應性進化提供了范例。
展望未來，烏骨羊的研究與產業開發潛力巨大：
基礎研究深化：
深入解析FRRS1L蛋白在巨噬細胞鐵還原中的具體分子機制及信號通路。精確量化高海拔低氧環境參數（氧分壓、時長）對FRRS1L表達及高鐵血紅素沉積的影響，建立基因-環境互作模型。利用該模型可篩選和驗證緩解鐵過載損傷的藥物或功能性分子。
分子育種與資源保護：
基于鑒定的關鍵突變位點（g.4852G>T， g.1016C>A），開發高效準確的分子標記輔助選擇（MAS）技術，用于烏骨羊的種質鑒定、品種選育和群體復壯，保障種群遺傳純度和特色性狀穩定遺傳。利用該技術建立科學的烏骨羊保種方法和核心育種群體，制定保種育種規劃。
高附加值產業開發：
特色健康肉制品：烏骨羊肉天然富含生物可利用性高的天然鐵成分（高鐵血紅素形式），是缺鐵性貧血人群的理想食補來源。可開發“烏骨羊”地理標志認證的高端肉品品牌。功能性生物制品：探索從烏骨羊血液或組織中安全、高效提取純化高鐵血紅素或相關活性物質（如具有特殊結合特性的鐵載體），用于開發新型鐵補充劑或生物材料。藥食同源產品：結合傳統認知與現代科學驗證，研究烏骨羊產品（肉、骨湯等）在改善貧血、抗氧化等方面的功效，開發具有明確健康宣稱的功能性食品。
助力鄉村振興：
烏骨羊作為云南橫斷山區的特色稀缺資源，其科學的保護和產業化開發，將成為當地畜牧業轉型升級、農民增收致富的重要抓手，推動邊疆民族地區經濟發展。
團隊與項目
主要作者：該研究由中國農業大學動物科學技術學院鄧學梅教授領銜，聯合云南農業大學鄧衛東/毛華明/茍瀟團隊和美國賓夕法尼亞州立大學柳萬生教授等共同完成。韓德平副教授（現就職于北京大學現代農業研究院）和張媛媛博士為共同第一作者，美國Pennsylvania State University的Wansheng Liu教授和中國農業大學的鄧學梅教授為共同通訊作者。
資金支持：該研究得到了STI 2030-重大項目（20232D040750X）、國家自然科學基金聯合基金（U1136605）、中國農業大學2115人才發展計劃等項目的支持。
通訊作者簡介：
鄧學梅：中國農業大學動物科學技術學院教授，博士生導師。長期從事動物遺傳資源與分子育種研究。主持國家自然科學基金、國家“863”項目，以及國家重大專項、國家重點研發課題等。在PLOS Genetics、Cell & Bioscience、BMC Evolutionary Biology等國際期刊發表論文60余篇。在畜禽遺傳資源評價、保護與創新利用，特色地方品種（如綠殼蛋雞、烏骨雞、烏骨羊等）種質特性挖掘、重要性狀的遺傳機制解析及分子育種技術開發等方面做出了系統性和開創性的工作。
柳萬生：美國賓夕法尼亞州立大學動物科學系終身教授，博士生導師。長期從事動物遺傳，動物基因組，和雄性生殖方面的研究。他的研究課題主要由美國農業部（USDA)，國家衛生研究院（NIH)，以及賓州州政府和動物育種公司資助。在Nature, Nature Genetics, PNAS, Development, Cell & Bioscience和Reproduction等期刊發表論文90篇。在豬、牛和羊的基因組解析，X和Y性染色體遺傳，精子發生和雄性生殖等方面做出了開創性工作。
結語
烏骨羊，這一隱匿于橫斷山脈深處的自然瑰寶，其“烏骨”之謎的破解，是基礎科學研究與地方特色資源挖掘完美結合的典范。中國農業大學鄧學梅團隊及其合作者的工作，不僅揭示了FRRS1L基因在鐵代謝中的全新角色，為人類疾病研究提供了珍貴模型，更照亮了烏骨羊這一珍稀遺傳資源邁向科學保護、高效育種和高端大健康產業開發的廣闊道路。從深山走向世界，從謎題變為寶藏，烏骨羊的故事，是科學賦予自然饋贈新生命的生動寫照。未來，隨著研究的深入和產業鏈的完善，這只承載著自然密碼與科技力量的“鐵血黑羊”，必將為人類健康與區域發展貢獻獨特價值。
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