食品界

从基因突变评估牛乳品质：中国荷斯坦牛IGF2、CLU和STAT5A基因的多态性与牛乳品质的关系

陕西师范大学食品工程与营养科学学院刘永峰教授团队从507 头中国荷斯坦奶牛鲜乳中提取DNA，用特异性引物扩增IGF2、CLU和STAT5A基因，通过酶切技术和数据库检索获得基因突变位点信息，并测定乳中MPC、MFC、MLC和MTSC。研究了IGF2、STAT5A和CLU基因与牛乳品质之间的关系。在分子水平上揭示STAT5A、CLU和IGF2基因与牛乳品质之间的关联，旨在为牛乳品质评估提供理论依据。

Introduction

牛乳营养丰富且易于消化吸收，是人们十分喜爱的营养佳品，主要由水分、脂肪、蛋白质、乳糖、矿物质组成。随着食品市场牛乳需求度的增加，高品质牛乳生产成为乳业发展的目标，因此，原乳质量监测显得尤为重要。表型组学常用于通过大规模数据集来论证基因型和环境因素与表型之间的因果关系。通过表型组学技术监测和改善牛乳蛋白质、脂肪、乳糖、矿物质、维生素和其他乳品质性状的相关研究受到广泛关注。在牛乳成分的相关研究中，胰岛素样生长因子2（IGF2）、信号转导及转录激活因子5A（STAT5A）和聚集素（CLU）基因等可以应用于牛乳品质评估。

研究发现，牛IGF2基因的一些突变位点与牛乳蛋白含量（MPC）、牛乳脂肪含量（MFC）、乳糖含量（MLC）、体细胞数（SSC）和牛乳总固形物含量（MTSC）等品质指标相关。牛CLU基因与牛奶MFC和SSC之间存在显著相关性，其在乳腺炎患病奶牛中的表达量急剧增加，且在乳腺退化过程中会诱导活性氧依赖性的细胞凋亡。牛STAT5A基因是参与乳腺上皮细胞中催乳素信号转导和β-酪蛋白基因启动子活性调节的重要生物因子，在奶牛泌乳相关基因网络中处于核心地位，其可以调节牛乳中MPC、MFC、MLC等营养指标。因此，牛IGF2、CLU和STAT5A基因是评价牛乳品质的重要候选基因，但其突变如何影响牛乳品质性状仍不确定。

Result and analysis

IGF2、CLU和STAT5A基因的基因分型与基因频率

从牛乳中提取DNA样本，用PCR技术分析核苷酸序列的多态性。对于IGF2基因，PCR在IGF2基因第10外显子的24507 G＞T处扩增了一个233 bp的片段，该片段可以被酶切成TT（233 bp和43 bp）、GT（233、190 bp和43 bp）和GG（190 bp和43 bp）3 种基因型，其中基因型GG是最频繁的基因型（51.68%），其次是基因型GT（38.03%）和TT（10.29%）。对于CLU基因，PCR在CLU基因第7外显子上的突变位点15781 G＞A处扩增了一个260 bp的片段，该片段可以被酶切成AA（260 bp）、GG（149 bp和111 bp）和GA（260、149 bp和111 bp）3 种基因型，其中基因型GG是最常见的基因型（63.99%），其次是基因型GA（34.45%）和AA（1.56%）。对于STAT5A基因，PCR在STAT5A基因第7外显子的6853 C＞T处扩增了一个215 bp的片段，该片段可以被酶切成CC（181 bp和34 bp）、CT（215、181 bp和34 bp）和TT（215 bp）3 种基因型，其中基因型CC和CT的频率相似，分别为45.30%和45.08%，而基因型TT的频率最低（9.62%）。

图1 IGF2（a）、CLU（b）和STAT5A（c）基因的基因分型

表1 IGF2、CLU和STAT5A基因突变的基因频率

IGF2、CLU和STAT5A基因多态性与牛奶品质性状关联性分析
3 种基因多态性（IGF2、CLU和STAT5A基因）与牛乳品质性状关联分析结果显示，MPC与IGF2基因第10外显子上的突变位点24507 G > A的基因多态性显著相关，但MFC、MLC和MTSC与该突变位点之间没有显示出相关关系；TT基因型奶牛的牛乳蛋白质、脂肪、乳糖和固体含量高于GG和GT型的牛乳。CLU基因多态性与MFC、MLC和MTC显著相关，与GA基因分型的个体相比，AA基因分型的奶牛具有更大的MFC和MLC，但MTSC较低。STAT5A基因多态性与MPC、MLC和MTSC有显著关系，TT基因型的个体生产的牛奶具有最高的MPC，最低的MLC和MTSC。
表2 IGF2、CLU和STAT5A基因突变与牛乳质量性状的关系

Conclusion
本研究检测了507 头中国荷斯坦奶牛鲜乳中IGF2、CLU和STAT5A基因的多态性，并评估它们与牛乳品质特性的关联性。IGF2基因的TT基因型在MPC中显示出优于其他基因型。与CLU基因的GA基因型个体相比，AA基因型的具有更高的MFC和MLC，但MTSC较低。对于STA5A基因，TT基因型个体生产的牛奶具有最高的MPC和最低的MLC。因此，对IGF2、CLU和STAT5A基因的筛选可用于评估牛乳品质，并根据不同的基因型对原料乳样品进行分级。
Abstract
Reflecting the quality of milk at the molecular level is a frontier technology. The aim of this study was to analyze the polymorphisms of bovine insulin-like growth factor 2 (IGF2), signal transducer and activator of transcription 5A (STAT5A) and clusterin (CLU) genes in the raw milk from 507 Chinese Holstein cow using polymerase chain reaction (PCR)-restriction fragment length polymorphism techniques and to evaluate their correlations with the milk protein content (MPC), milk fat content (MFC), milk lactose content (MLC) and milk total solids content (MTSC). In IGF2 gene, genotype GG was the most frequent genotype (51.68%) followed by the genotype GT (38.03%) and TT (10.29%). And the genotype TT of IGF2 gene was superior to the other genotypes in MPC. In CLU gene, genotype GG was the most common genotype (63.99%) followed by the genotype GA (34.45%) and AA (1.56%). And the genotype AA of CLU gene had greater MFC and MLC, but lower MTSC than GA genotype individuals. For STAT5A gene, the frequency of genotype CC and CT was similar (45.30% and 45.08%), while the genotype TT had lowest frequency (9.62%). And the genotype TT of STA5A gene had highest MPC and lowest MLC. Thus, screening for the IGF2, CLU and STAT5A genes were available for evaluating milk quality and raw milk samples were graded according to the different genotypes.
专家介绍

刘永峰教授
陕西师范大学食品工程与营养科学学院副院长
刘永峰，博士（后），教授，博士生导师，陕西师范大学食品工程与营养科学学院副院长、西安市畜产品安全生产与营养控制重点实验室主任、陕西师范大学畜产品质量控制工程中心主任、陕西省特色畜产品安全生产与营养控制创新团队负责人、陕西省秦创原乳品安全生产与质量控制“科学家+工程师”队伍负责人，兼任中国畜产品加工研究会理事（青年工作委员会委员）、陕西省食品科学技术学会副理事长、陕西省饮食营养协会副会长、陕西省食品安全专家委员会委员、美国乳品科学协会会员、Food Science of Animal Products和《乳业科学与技术》编委等。研究方向为畜产品安全生产与营养调控及产品开发。累计主持承担了国家自然基金2项、陕西省重大重点项目4 项及省部级一般项目10余项，参与国家重大重点项目10余项。以第一或通信作者论文发表国内外学术论文约150篇，申请发明专利39 件，授权16 件；制订和发布标准17 项；先后获得2021年度全国宝钢优秀教师奖、2014年陕西省青年科技新星、2019年陕西省优秀青年科技新星、2019年陕西省中青年科技领军人才、第十二届陕西青年科技奖、2012年陕西省优秀博士论文、2020年西安之星、2021年三秦青年科技创新之星等10余项省级学术荣誉；荣获2021年陕西省科学技术奖二等奖（第1名）、2019年陕西省科学技术奖二等奖（第1名）、2021年陕西农业技术推广成果奖二等奖（第1名）、陕西省第十三届自然科学优秀学术论文三等奖（第1名）等10余项省部级科研奖励。
第一作者介绍

付尚辰 硕士研究生
陕西师范大学食品科学与营养工程学院
付尚辰，女，陕西师范大学食品科学与营养工程学院在读硕士研究生，主要研究方向为乳品营养科学和质量安全分析。