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摘 要：基因组学和蛋白质组学是当今生命科学研究的前沿与热点。近年来，基因组学、蛋白质组学等组学技术已经在食品科学研究领域获得一定程度的应用。本文总结分析了基因组学和蛋白质组学最新研究技术，同时综述了基因组学和蛋白质组学在肉品质研究中的最新应用进展，并展望了这2 种组学在肉品工业中应用前景。
关键词：基因组学；蛋白质组学；肉品质；最新进展
Abstract： Genomics and proteomics are the frontier and hot topics in the field of life science research. In recent years， genomics， proteomics and other omics have been considerably applied in the field of food science. This paper summarizes the latest progress in genomics and proteomics and their application in meat quality research. Future prospects for the application of genomics and proteomics in the meat industry are also forecasted in this paper.
Key words： genomics； proteomics； meat quality； latest progress
DOI：10.15922/j.cnki.rlyj.2016.12.006
中图分类号：TS251.1 文献标志码：A 文章编号：1001-8123（2016）12-0028-07
引文格式：
张素红， 孙术国， 罗章， 等. 基因组学和蛋白质组学在肉品质研究中的应用研究进展[J]. 肉类研究， 2016， 30（12）： 28-34. DOI：10.15922/j.cnki.rlyj.2016.12.006. http：//rlyj.cbpt.cnki.net
ZHANG Suhong， SUN Shuguo， LUO Zhang， et al. Recent progress in the application of genomics and proteomics in meat quality research[J]. Meat Research， 2016， 30（12）： 28-34. （in Chinese with English abstract） DOI：10.15922/j.cnki.rlyj.2016.12.006. http：//rlyj.cbpt.cnki.net
自人类基因组计划（human genome project，HGP）启动以来，基因组学便应时而生[1-2]，随后生命科学研究的热点已逐步从解析生命的全套遗传信息转移到系统研究这些遗传信息所代表的生物学功能，即对蛋白质进行研究，由此产生了蛋白质组学[3]。如今，生命科学研究已进入到了多组学时期，基因组学和蛋白质组学作为组学技术中最具代表性的阐述生命现象本质的、高通量的系统性研究技术，已渗透到生命科学的各个领域[4]。肉制品不仅是人类日常三餐中不可缺少的食物，也是人体七大必需营养素之一（蛋白质）的重要来源，其品质的大幅下降问题已成为国内外人们共同关注的热点话题。目前，利用基因组学和蛋白质组学联合对肉品质的研究报道还相对较少，本文综述了基因组学和蛋白质组学最新研究技术及其在肉品质研究中的最新应用进展，以期为相关的科学研究提供参考。
1 基因组学、蛋白质组学及其最新研究技术
1.1 基因组学及其最新研究技术
基因组学由美国科学家Thomas Roderick于1986年首次提出，其是指对各种生物进行基因组图谱的绘制、基因组序列的测定和基因功能分析的一门学问[5]。基因组学包括结构基因组学和功能基因组学，前者以全基因组测序为目标，后者以基因功能鉴定为目标[6-7]。结构基因组学是以绘制基因图谱、分析基因序列的方式将生物体内全部的遗传信息展现出来。其研究技术主要有：核酸测序的微量化技术、高通量DNA测序技术、单核苷酸测序法等。而功能基因组学是在结构基因组学的基础上，由研究单个基因或蛋白质的功能扩展到同时对多个基因或蛋白质进行系统研究。其研究技术主要有：微阵列分析（基因芯片）、基因沉默技术、基因敲除、反义RNA、分子杂交、全基因组关联分析（genome-wide association study，GWAS）、聚合酶链式反应（polymerase chain reaction，PCR）技术、基因表达技术系列分析（serial analysis of gene expression，SAGE）等[8]。
目前由美国Doudna教授和德国Charpentier教授共同在Science上发表以RNA为向导在体外建立的CRISPR/Cas9技术是学术界公认的最先进的基因编辑方法[9]，能够实现对基因较为精准和高效地编辑，被认为是遗传研究领域的革命性技术，但该技术它也存在着一个明显的不足是易脱靶[10-11]，即gRNA与靶DNA序列之间存在错配，向导RNA容易形成二级结构等，而且此技术的脱靶效应无特定规律，难于预测[12]。2016年5月，河北科技大学生物科学与工程学院韩春雨团队打破了学术界CRISPR/Cas9基因编辑技术的专利垄断，发明了首个“中国创造”尖端基因编辑技术NgAgo-gDNA，此技术的核酸酶是一种存在于格氏嗜盐碱杆菌（Natronobacterium gregoryi）中的Argonaute内切核酸蛋白，以DNA为向导，可以相对精准地切割基因组靶点。与CRISPR Cas9相比，NgAgo-gDNA具有潜在的优势，其对向导序列-靶序列错配容忍度很低，且向导设计制作简便，同时因为NgAgo要比CRISPR/Cas9多结合5 个碱基，所以精确性将会比CRISPR/Cas9提高1 024 倍。除此之外NgAgo-gDNA技术可编辑基因组内的任何位置，且对游离于细胞核内的DNA具有更高的切割效率，这大大提高了基因编辑的可能性[13]。目前，NgAgo-gDNA技术具有很大的推广应用价值，其可用于对微生物、动植物基因进行精准改造，以及用于乙肝、艾滋病或某些遗传性疾病的治疗，另外其在人类血液、器官的编辑与再造方面具有重要意义，在医疗、新药研制、畜牧业、农业等范畴具有很大的应用潜力。 1.2 蛋白质组学及其最新研究技术
蛋白质组即细胞、组织或机体在特定时间和空间上表达的所有蛋白质[14-15]。蛋白质组学则以蛋白质组为研究对象，采用高通量的蛋白质分离手段与鉴定技术全面解析一种细胞乃至一种生物所表达的所有蛋白质的一门新兴学科[16]。因其具有动态性、时间性、空间性和特异性，更能在分子水平上系统地阐明生命现象的本质及活动规律[17]。
蛋白组学研究技术包括：用于分离蛋白质的双向凝胶电泳（2-dimensional gel electrophoresis，2-DE）、双向荧光差异电泳（2-D fluorescence difference gel electrophoresis，2D-DIGE）、毛细吸管电泳和色谱法（如高效液相色谱、二维液相色谱）[18]。用于鉴定蛋白质的生物质谱（mass spectrometry，MS）（如电喷雾电离-串联质谱、基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱）[19]、
肽质量指纹谱蛋白质鉴定、蛋白芯片等[18]。生物信息学中的蛋白质组数据库有蛋白质核苷酸序列数据库（蛋白质序列数据库SWISS-PROT（http：//cn.expasy.org/sprot）、蛋白质信息资源-蛋白质序列数据库（Protein Information Resource-Protein Sequence Database，PIR-PSD）、美国国立生物学研究中心（National Center for Biotechnology Infortation，NCBI）、欧洲分子生物学实验室（European Molecular Biology Laboratory，EMBL）、日本国家遗传学研究所（DNA Date Bank of Japan，DDBJ）等）；蛋白质结构数据库（蛋白质数据库（Protein Date Bank，PDB）、蛋白质结构分类数据库（Structural Classification of Proteins，SCOP）、CATH（Class-Architecture-Topology-Homology）（http：//www.biochem.ucl.ac.uk/bsm/cath）等）；蛋白质功能数据库（基因本体论（gene ontology，GO）、蛋白质直系同源簇数据库（Cluster of Orthologous Groups of proteins，COG）、京东基因和基因组百科全书（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes，KEGG）等）[20-21]。
蛋白质组学是以基因编码的全部蛋白质组为研究对象，在大规模水平上对蛋白质的调控规律、功能联系等进行多方位、多角度分析。过去科学家们大都致力于对蛋白质组进行定性研究，但这并不能全面地解读蛋白质，因此还需对其进行定量研究。目前同位素标记相对和绝对定量（isobaric tags for relative and absolute quantitation，iTRAQ）技术是蛋白质组学中最新的蛋白定量技术，该技术是于2004年由美国应用生物系统公司研发的一种体外同种同位素标记技术[22]。该技术利用多种同位素试剂标记蛋白多肽N末端或赖氨酸侧链基团，经串联质谱分析后，可同时定量比较多达8 种样品之间的蛋白质表达量[23]，并具有高通量、重复性好、敏感性高、分析范围广等优点[24]。iTRAQ技术作为新兴的高通量蛋白质组学定量手段，在不断优化的同时，也已广泛应用于微生物、动植物、医药、食品等生命科学的各个领域。该技术可用于筛查和寻觅任何因素导致的不同种样品间的特异性表达蛋白[24]，这有助于阐明疾病的发病机理以及对疾病的预防、诊断、愈后和疗效监测[15]，该技术也可寻找新的、潜在的药物靶标和疫苗靶分子用于临床治疗药物的开发。此外，该技术还可用于畜禽动物中的肉品质、乳品质、羊绒毛品质鉴定、免疫反应以及对大鼠、小鼠神经系统的蛋白质组差异性进行研究，这为寻找生物标志物及蛋白质组的定量研究提供了可靠依据[26-28]，同时也为更为复杂的食品体系研究提供新的研究方法。
2 基因组学和蛋白质组学在肉品质研究中的最新应用进展
2.1 基因组学在肉品质研究中的应用
2.1.1 在肉制品真伪鉴别中的应用
肉类制假、掺假问题不仅严重侵害了消费者权益、身体健康，还影响进出口贸易。目前，基因组学技术在肉制品真伪鉴别中的应用也愈发广泛。Iwobi等[29]指出基因芯片技术可同时检测8～14 种的动物肉制品，而且有较高的检测效率和灵敏度，重现性较好，该方法可以检测出0.1%～0.5%的动物成分。有研究[30]将一种基于DNA的LCD芯片与物种特异性PCR结合应用于检测南非零售商店及屠宰场的139 种加工肉制品，发现68%的肉样成分与其标签不符。朱业培等[31]运用PCR结合基因芯片的技术对6 种动物（牛、羊、猪、马、鹿、兔）的动物源性成分进行了鉴别，该方法能同时快速、准确地检测上述6 种动物源性成分，并且检测牛肉和马肉成分时绝对灵敏度可达0.5 pg，实际灵敏度可达0.001%，该方法具有较强的特异性与较高的灵敏度，能够用来检测和鉴别生、熟肉制品中的多种动物源性成分。陈涓涓等[32]运用优化后的荧光PCR技术对可能作为原料掺入牛肉及其制品中的肉类原料（猪肉、鸡肉和鸭肉）的混合样品和市售样品进行了检测，证明了该鉴别体系在肉制品真伪鉴别中具有较高的实际应用价值。在猪肉惨假鉴别中，有学者选取线粒体Cytb和12S rRNA分别作为猪肉和家禽肉的靶基因，并利用特异性双重PCR技术对这2 种肉同时进行鉴定，发现这种方法可允许家禽肉中添加1%～75%的猪肉，且灵敏度可达0.1%[33]。Amaral等[34]运用PCR方法对香肠中的野兔、家兔、马鹿、猪和母牛成分的鉴别进行了研究，灵敏度可达0.01%～0.10%。 2.1.2 在肌内脂肪研究中的应用
肌内脂肪（intramuscular fat，IMF）是动物肌肉的重要组成成分，其含量可引起肉的色泽、风味、嫩度、持水力等发生变化，许多研究已经证明某些基因与IMF相关。因此基因组学为IMF相关基因的筛选及功能鉴定提供了有利的技术平台。王文立[35]利用基因芯片技术、生物信息学分析技术以及荧光定量PCR技术筛选和验证了IMF含量不同的大白猪与松辽黑猪背最长肌中差异性表达的基因，研究发现AK3L1、Adipo Q、PPARGC-1、PRKAG、NOR-1、CA3和UCP3基因验证结果与芯片结果一致，这为深入研究调控猪IMF沉淀的关键功能基因和相应的信号通道夯实了基础。黄爱霞[36]采用实时荧光定量PCR等技术，分析了鸡胸肉中瘦素受体编码基因（LEPR）的表达量及其与IMF的联系，发现LEPR基因的表达量与IMF的含量呈一定的正相关性。Kazala等[37]研究了膈肌肋脂中激素敏感脂肪酶（hormone-sensitive triglayceride lipase，HSL）的活性与其含量之间的关系，结果表明，牛肌肉中HSL活性与IMF的含量相关，并说明该项研究在牛新品种选育中具有重要价值。戢爽[38]运用基因芯片技术，分析了延边黄牛皮下脂肪、腹部脂肪以及背最长肌不同脂肪沉积部位的基因网络调控机制，确认了脂肪沉积相关候选基因及其重要代谢通路，这为肉牛育种过程中肉质性状的改良奠定了理论基础。袁章琴[39]
采用生物信息学和DNA芯片技术对影响猪脂肪变性的关键基因进行了研究，并分析了新基因pFAM134B在猪脂肪变性中的作用，发现该基因可促进肌内脂肪的变性。
2.1.3 在肉制品微生物检测中的应用
肉制品在生产和销售的各个环节中，由于其营养丰富极易被外界环境及自身携带微生物污染而腐败变质，不仅降低了其食用价值，也危及到人体健康，因此有必要对其腐败微生物进行检测，基于高通量基因组学技术的迅速发展，其被广泛应用于肉制品微生物检测中。袁伟等[40]应用PCR技术对肉鸭屠宰加工中沙门氏菌的污染进行了研究，成功扩增出沙门氏菌标准株和分离株的275 bp目的片段，灵敏度可达1.2 pg；同时在肉鸭屠宰链中也检测出沙门氏菌存在。陈雪莲[41]研究了某地肉制品中金黄色葡萄球菌femA基因和沙门氏菌invA基因，发现此方法具有极好的特异性和敏感性，可以在肉制品检测中有很大的应用前景。陈晓[42]研究引起肉制品腐败的腐败菌，并对其分离纯化，应用PCR技术分析其导致腐败的原因，此方法特异性、灵敏性和重复性较好。宋东晓[43]
建立的检测方法是针对大肠杆菌和鞭毛的抗原基因以检测牛肉中常见的3 种食源性致病菌，分别是沙门氏菌、单增李斯特菌和大肠杆菌O157：H7。结果表明，此方法具有较高的灵敏性、特异性和符合率，能够简单、快速地同时检测出牛肉中的一种或多种致病菌，这为3 种病原菌的控制奠定了基础。潘彭媛[44]利用比较先进的三重PCR技术对鸡肉中的病原菌做了检测；周巍[45]将基因芯片技术应用于肉中的食源性致病菌的检测，也取得了一定的成果。因此，基因组学在肉制品微生物检测方面非常重要。
2.1.4 在畜禽基因敲除和定点突变中的应用
CRISPR/Cas9系统作为基因组学技术中一种新兴技术，其已广泛应用于畜禽基因敲除和定点突变。有研究报道，利用CRISPR/Cas9系统可对猪、兔、山羊、绵羊等畜禽动物进行基因敲除和定点突变研究。如Han等[46]利用CRISPR/Cas9技术成功敲除了绵羊的肌肉生成抑制素（myostatin，MSTN）基因，其突变效率可达19.3%。Ni等[47]有效地利用CRISPR/Cas9系统对山羊主要成纤维细胞中的单对等位基因和双等位基因进行继续基因编辑，效率可达9%～70%。华文君等[48]采用CRISPR/Cas9技术成功筛选了猪MSTN基因敲除阳性细胞并对其进行了基因表达定量分析。张冬杰等[49]利用CRISPR/Cas9系统对定点突变猪MSTN基因进行了研究，该系统的突变效率为38%，高于利用该系统突变绵羊MSTN基因的效率（19.3%）。有学者[50]采用CRISPR/Cas9系统获得了15 个酪氨酸酶（tyrosinase，TYR）基因突变猪和20 个PARK2、PINK1双基因敲除猪，并且全是纯合子，无致突变性，与传统杂交育种相比，具有效率高、时间短的优势。由此可知，CRISPR/Cas9这种基因编辑系统在禽畜基因敲除、定点突变、基因改良以及新品种的选育中的应用愈发
广泛。
2.2 蛋白质组学在肉品质中的应用
2.2.1 在肉制品真伪鉴别中的应用
2013年涉及英国、法国、瑞典等多达欧洲16 个国家的“马肉风波”曝光以来，世界各国对肉及肉制品掺假问题分外重视[51]。随着蛋白质组学技术的日臻完善，其在肉类真伪鉴别中的应用越发广泛。早在1993年，Taylor等[52]
通过电喷雾质谱法（electron spray mass spectrometry，ESMS）对纯化后的猪、牛、羊、马的蛋白混合样品进行检测，发现牛血红蛋白中掺入了10%的马血红蛋白，但此法只限于检测纯化后的蛋白混合样品。Leitner等[53]采用液相色谱-串联质谱对添入肉类产品中的大豆蛋白与胶原蛋白进行了检测。Sentandreu等[54]通过OFFGEL等电子对焦对提取后的肌原纤维蛋白中的肌球蛋白轻链3进行富集，并用液相色谱-串联质谱检测了经胰蛋白酶分解后生成的肽或氨基酸，可检测出猪肉中掺入0.5%的鸡肉成分。Montowska等[55]采用二维电泳技术从牛、猪、鸡、火鸡、鸭、鹅的生鲜及加工样品中鉴定出了可以差异表达的蛋白质，其中调节蛋白、代谢酶、某些肌原纤维蛋白和肌原纤维血浆蛋白可用作动物源性成分鉴别的蛋白靶标。 2.2.2 在肉嫩度中的应用
风味、质地、色泽等是肉制品重要的食用质量指标，其中质地品质中嫩度是相当重要的，它不仅影响着消费者对肉及肉制品的选择，也影响着烹饪肉、加工肉的感官品质。随着高通量蛋白质组学技术的日趋完善，其在肉嫩度方面的应用也越来越广泛。Taylor等[56]认为钙蛋白酶在肉嫩化中起着主要作用，事实上它是通过抑制蛋白活性来间接抑制宰后肌肉中的钙蛋白酶活力。Freking等[57]指出羊肥臀是由于18号染色体端粒附近的一个小的基因区域发生了突变使钙蛋白酶活力提高2～3 倍所引起的。Koohmaraie等[58]研究了羊肥臀对肌肉生长和肉质性状的影响，发现肥臀羊与其他类别的羊相比，除了宰后肌肉结构的变化速率较慢外没有较大差别，这表明钙蛋白酶和钙蛋白酶抑制蛋白与肉嫩化存在一定的相关性。Lametsch等[59]对钙蛋白酶诱导的肌纤维蛋白降解图谱以及肌原纤维蛋白的降解进行了阐述，发现肌原纤维蛋白中肌动蛋白和肌球蛋白重链即使发生轻微降解都会影响肉的嫩度，但其与肉嫩化之间的相关性还需进一步研究。用二维凝胶电泳技术研究长白猪和韩国本土黑猪屠宰后蛋白质水解对其肉质的影响时发现，肉的嫩度与肌动蛋白α1也有一定的相关性。
2.2.3 在肉持水性中的应用
肉的品质很重要的一个特性就是持水性，对肉的各方面品质都会有影响，例如感官品质、食用品质等。除此之外，还会影响肉的经济价值。近些年来，研究得出肉的持水性和其新陈代谢密不可分，但是关于此方面的研究只取得了很小的进展。一些猪肉具有失水表现型的单基因模型，如不同的钙通道受体和一般被称作RN基因（猪肉酸肉基因）的PRKAG3候选基因等[61]。Lametsch等[62]研究得出由于某种酶的控制使葡萄糖的转运受到影响，从而影响蛋白质组学。而这些结果也能对猪肉失水现象进行解释。有研究发现，生肉滴水现象主要是因为肉体的pH值变化最终引起肌动蛋白肌丝的收缩。特别是在尸僵前pH值急剧下降的状况下，蛋白质变性也可导致持水性下降[63]。van Laack[64]指出PSE（pale-soft-exudative）肉是由于肌浆蛋白变性，降低了肉的持水能力所造成的，这不仅阐释了PSE肉的形成原因，还说明了肌浆蛋白在肉持水能力中的关键作用。Huff-Lonergan等[65]
研究了不同年龄与性别的牛屠宰后其持水性与肌联蛋白和伴肌动蛋白降解的关系，发现这些蛋白的降解也与肉的持水性相关。Penny等[66]也提出，肌原纤维蛋白的变性程度与肉持水性的下降息息相关。
2.2.4 在畜禽疾病预防及肉品质改善中的应用
有研究将iTRAQ技术与二维液相色谱-串联质谱（two-dimensional liquid chromatography-tandem mass spectrometry，2D-LC-MS/MS）相结合应用于分析肺泡巨噬细胞中感染组与未感染组的猪圆环病毒Ⅱ型（porcine circovirus type 2，PCV2）的差异蛋白表达情况中发现，在感染后的不同时间段内鉴定得到了145 个显著差异的细胞蛋白，并且这些差异蛋白与细胞结构、细胞黏连、信号转导及它们的相互作用等生物过程相关，为后期阐明PCV2的发病机制奠定了基础[67]。Nagaraj等[68]对抗感染绵羊和易感绵羊分别提取了经线虫感染3 d后的胃黏膜组织的总蛋白，并通过iTRAQ技术从鉴定到的4 468 个蛋白质中发现有158 个是差异性表达蛋白，且80 个是上调的、78 个是下调的。并且发现三叶肽因子2
（trefoil factor 2，TFF2）和环指蛋白126（ring finger protein 126，RNF126）在抗感染绵羊胃中高度表达，腺苷脱氨酶（adenosine deaminase，ADA）和胃动蛋白3（gastrokine-3，GKN3）在易感绵羊中高度表达，由此确定绵羊体内存在抗线虫感染能力增强的生物标志物。Golovan等[69]利用iTRAQ技术对猪肝细胞中的1 476 种蛋白进行处理，并在错误识别率小于5%的条件下分析了其中880 种蛋白，发现与能量代谢、分解代谢、生物合成、电子传递、氧化还原酶类反应等有关的蛋白含量都显著增加了，这些蛋白在肝脏作为化学和能量工厂这一角色中都发挥着重要的作用。Huang等[70]采用iTRAQ技术与2DLC-MS/MS相结合的方法，在错误率小于5%的条件下从健康奶牛和乳腺炎奶牛乳腺组织的6 499 个蛋白提取物中鉴别出768 个蛋白，其中36 个上调、19 个下调，并提出α1-Ⅰ型胶原基因（COL1A1）和α球蛋白抑制基因H4（ITIH4）在乳腺感染后期的上调表达可能与组织损伤和修复相关联。Zhang等[71]利用iTRAQ技术鉴定出不同浓度氨气条件下鸡肝脏组织中的30 个与营养代谢、免疫应答、转录和翻译、应激反应及解毒作用相关的差异性蛋白，尤其是β-1半乳糖苷酶（beta-1 galactosidase，GLB1）和A激酶锚定蛋白（A-kinase anchor protein 8-like，AKAP8L），且已有科学家提出这2 种蛋白可作为慢性肝损伤的生物标志物，这为预防肝损伤的进一步研究提供了新的依据。上述这些研究为蛋白质组学技术在改善畜禽肉品质以及疾病预防等研究中提供了理论依据。
3 结 语
目前，基因组学和蛋白质组学技术日趋完善，尤其是在功能基因组学、疾病蛋白质组学及差异蛋白质组学方面的发展特别迅速，其影响已深入到生命科学的各个领域。并在重大疾病发生机制、诊断、治疗、新药研发等领域取得了辉煌的成就。生物体是一个复杂的系统，单一的使用基因组学或蛋白质组学技术来阐明复杂的生命现象是很困难的，而且这2 种技术各自都有不足之处，比如基因组学难以精确地体现蛋白质的质与量，因而不能直接从分子层面来解析各种生命现象。虽然蛋白质组学相关技术已取得了很大的进步，但它还不能做到检测生物体中的所有蛋白质，如对多种低丰度调控蛋白的分离。因此只有将2 种组学技术联合使用，才能克服各自技术的不足，进而从基因和蛋白质水平上全面、系统地阐明复杂的生命现象。如贺花[72]采用基因组学与蛋白质组学技术对影响秦川牛肌肉生长发育的相关基因和蛋白质进行了研究，获得了秦川牛背最长肌在基因水平和蛋白水平上的数据信息，不仅为研究背最长肌发育过程中基因结构和基因功能的变化以及代谢通路的调控等提供了理论依据，还有助于了解秦川牛肌肉发育的分子机制和表型差异，最终为消费者提供健康优质的牛肉产品。这为基因组学与蛋白质组学在肉品质研究中的应用提供了新的思路。 在当前的组学研究中基因组学和蛋白质组学是最具有代表性的显现生命现象本质的、高通量的系统性研究技术。可以预计，随着基因组学和蛋白质组学技术的日趋完善，其联用技术在生命科学领域，尤其是肉品质研究领域将具有更广阔的应用前景。
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关键词：基因组学；蛋白质组学；肉品质；最新进展
Abstract： Genomics and proteomics are the frontier and hot topics in the field of life science research. In recent years， genomics， proteomics and other omics have been considerably applied in the field of food science. This paper summarizes the latest progress in genomics and proteomics and their application in meat quality research. Future prospects for the application of genomics and proteomics in the meat industry are also forecasted in this paper.
Key words： genomics； proteomics； meat quality； latest progress
DOI：10.15922/j.cnki.rlyj.2016.12.006
中图分类号：TS251.1 文献标志码：A 文章编号：1001-8123（2016）12-0028-07
引文格式：
张素红， 孙术国， 罗章， 等. 基因组学和蛋白质组学在肉品质研究中的应用研究进展[J]. 肉类研究， 2016， 30（12）： 28-34. DOI：10.15922/j.cnki.rlyj.2016.12.006. http：//rlyj.cbpt.cnki.net
ZHANG Suhong， SUN Shuguo， LUO Zhang， et al. Recent progress in the application of genomics and proteomics in meat quality research[J]. Meat Research， 2016， 30（12）： 28-34. （in Chinese with English abstract） DOI：10.15922/j.cnki.rlyj.2016.12.006. http：//rlyj.cbpt.cnki.net
自人类基因组计划（human genome project，HGP）启动以来，基因组学便应时而生[1-2]，随后生命科学研究的热点已逐步从解析生命的全套遗传信息转移到系统研究这些遗传信息所代表的生物学功能，即对蛋白质进行研究，由此产生了蛋白质组学[3]。如今，生命科学研究已进入到了多组学时期，基因组学和蛋白质组学作为组学技术中最具代表性的阐述生命现象本质的、高通量的系统性研究技术，已渗透到生命科学的各个领域[4]。肉制品不仅是人类日常三餐中不可缺少的食物，也是人体七大必需营养素之一（蛋白质）的重要来源，其品质的大幅下降问题已成为国内外人们共同关注的热点话题。目前，利用基因组学和蛋白质组学联合对肉品质的研究报道还相对较少，本文综述了基因组学和蛋白质组学最新研究技术及其在肉品质研究中的最新应用进展，以期为相关的科学研究提供参考。
1 基因组学、蛋白质组学及其最新研究技术
1.1 基因组学及其最新研究技术
基因组学由美国科学家Thomas Roderick于1986年首次提出，其是指对各种生物进行基因组图谱的绘制、基因组序列的测定和基因功能分析的一门学问[5]。基因组学包括结构基因组学和功能基因组学，前者以全基因组测序为目标，后者以基因功能鉴定为目标[6-7]。结构基因组学是以绘制基因图谱、分析基因序列的方式将生物体内全部的遗传信息展现出来。其研究技术主要有：核酸测序的微量化技术、高通量DNA测序技术、单核苷酸测序法等。而功能基因组学是在结构基因组学的基础上，由研究单个基因或蛋白质的功能扩展到同时对多个基因或蛋白质进行系统研究。其研究技术主要有：微阵列分析（基因芯片）、基因沉默技术、基因敲除、反义RNA、分子杂交、全基因组关联分析（genome-wide association study，GWAS）、聚合酶链式反应（polymerase chain reaction，PCR）技术、基因表达技术系列分析（serial analysis of gene expression，SAGE）等[8]。
目前由美国Doudna教授和德国Charpentier教授共同在Science上发表以RNA为向导在体外建立的CRISPR/Cas9技术是学术界公认的最先进的基因编辑方法[9]，能够实现对基因较为精准和高效地编辑，被认为是遗传研究领域的革命性技术，但该技术它也存在着一个明显的不足是易脱靶[10-11]，即gRNA与靶DNA序列之间存在错配，向导RNA容易形成二级结构等，而且此技术的脱靶效应无特定规律，难于预测[12]。2016年5月，河北科技大学生物科学与工程学院韩春雨团队打破了学术界CRISPR/Cas9基因编辑技术的专利垄断，发明了首个“中国创造”尖端基因编辑技术NgAgo-gDNA，此技术的核酸酶是一种存在于格氏嗜盐碱杆菌（Natronobacterium gregoryi）中的Argonaute内切核酸蛋白，以DNA为向导，可以相对精准地切割基因组靶点。与CRISPR Cas9相比，NgAgo-gDNA具有潜在的优势，其对向导序列-靶序列错配容忍度很低，且向导设计制作简便，同时因为NgAgo要比CRISPR/Cas9多结合5 个碱基，所以精确性将会比CRISPR/Cas9提高1 024 倍。除此之外NgAgo-gDNA技术可编辑基因组内的任何位置，且对游离于细胞核内的DNA具有更高的切割效率，这大大提高了基因编辑的可能性[13]。目前，NgAgo-gDNA技术具有很大的推广应用价值，其可用于对微生物、动植物基因进行精准改造，以及用于乙肝、艾滋病或某些遗传性疾病的治疗，另外其在人类血液、器官的编辑与再造方面具有重要意义，在医疗、新药研制、畜牧业、农业等范畴具有很大的应用潜力。 1.2 蛋白质组学及其最新研究技术
蛋白质组即细胞、组织或机体在特定时间和空间上表达的所有蛋白质[14-15]。蛋白质组学则以蛋白质组为研究对象，采用高通量的蛋白质分离手段与鉴定技术全面解析一种细胞乃至一种生物所表达的所有蛋白质的一门新兴学科[16]。因其具有动态性、时间性、空间性和特异性，更能在分子水平上系统地阐明生命现象的本质及活动规律[17]。
蛋白组学研究技术包括：用于分离蛋白质的双向凝胶电泳（2-dimensional gel electrophoresis，2-DE）、双向荧光差异电泳（2-D fluorescence difference gel electrophoresis，2D-DIGE）、毛细吸管电泳和色谱法（如高效液相色谱、二维液相色谱）[18]。用于鉴定蛋白质的生物质谱（mass spectrometry，MS）（如电喷雾电离-串联质谱、基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱）[19]、
肽质量指纹谱蛋白质鉴定、蛋白芯片等[18]。生物信息学中的蛋白质组数据库有蛋白质核苷酸序列数据库（蛋白质序列数据库SWISS-PROT（http：//cn.expasy.org/sprot）、蛋白质信息资源-蛋白质序列数据库（Protein Information Resource-Protein Sequence Database，PIR-PSD）、美国国立生物学研究中心（National Center for Biotechnology Infortation，NCBI）、欧洲分子生物学实验室（European Molecular Biology Laboratory，EMBL）、日本国家遗传学研究所（DNA Date Bank of Japan，DDBJ）等）；蛋白质结构数据库（蛋白质数据库（Protein Date Bank，PDB）、蛋白质结构分类数据库（Structural Classification of Proteins，SCOP）、CATH（Class-Architecture-Topology-Homology）（http：//www.biochem.ucl.ac.uk/bsm/cath）等）；蛋白质功能数据库（基因本体论（gene ontology，GO）、蛋白质直系同源簇数据库（Cluster of Orthologous Groups of proteins，COG）、京东基因和基因组百科全书（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes，KEGG）等）[20-21]。
蛋白质组学是以基因编码的全部蛋白质组为研究对象，在大规模水平上对蛋白质的调控规律、功能联系等进行多方位、多角度分析。过去科学家们大都致力于对蛋白质组进行定性研究，但这并不能全面地解读蛋白质，因此还需对其进行定量研究。目前同位素标记相对和绝对定量（isobaric tags for relative and absolute quantitation，iTRAQ）技术是蛋白质组学中最新的蛋白定量技术，该技术是于2004年由美国应用生物系统公司研发的一种体外同种同位素标记技术[22]。该技术利用多种同位素试剂标记蛋白多肽N末端或赖氨酸侧链基团，经串联质谱分析后，可同时定量比较多达8 种样品之间的蛋白质表达量[23]，并具有高通量、重复性好、敏感性高、分析范围广等优点[24]。iTRAQ技术作为新兴的高通量蛋白质组学定量手段，在不断优化的同时，也已广泛应用于微生物、动植物、医药、食品等生命科学的各个领域。该技术可用于筛查和寻觅任何因素导致的不同种样品间的特异性表达蛋白[24]，这有助于阐明疾病的发病机理以及对疾病的预防、诊断、愈后和疗效监测[15]，该技术也可寻找新的、潜在的药物靶标和疫苗靶分子用于临床治疗药物的开发。此外，该技术还可用于畜禽动物中的肉品质、乳品质、羊绒毛品质鉴定、免疫反应以及对大鼠、小鼠神经系统的蛋白质组差异性进行研究，这为寻找生物标志物及蛋白质组的定量研究提供了可靠依据[26-28]，同时也为更为复杂的食品体系研究提供新的研究方法。
2 基因组学和蛋白质组学在肉品质研究中的最新应用进展
2.1 基因组学在肉品质研究中的应用
2.1.1 在肉制品真伪鉴别中的应用
肉类制假、掺假问题不仅严重侵害了消费者权益、身体健康，还影响进出口贸易。目前，基因组学技术在肉制品真伪鉴别中的应用也愈发广泛。Iwobi等[29]指出基因芯片技术可同时检测8～14 种的动物肉制品，而且有较高的检测效率和灵敏度，重现性较好，该方法可以检测出0.1%～0.5%的动物成分。有研究[30]将一种基于DNA的LCD芯片与物种特异性PCR结合应用于检测南非零售商店及屠宰场的139 种加工肉制品，发现68%的肉样成分与其标签不符。朱业培等[31]运用PCR结合基因芯片的技术对6 种动物（牛、羊、猪、马、鹿、兔）的动物源性成分进行了鉴别，该方法能同时快速、准确地检测上述6 种动物源性成分，并且检测牛肉和马肉成分时绝对灵敏度可达0.5 pg，实际灵敏度可达0.001%，该方法具有较强的特异性与较高的灵敏度，能够用来检测和鉴别生、熟肉制品中的多种动物源性成分。陈涓涓等[32]运用优化后的荧光PCR技术对可能作为原料掺入牛肉及其制品中的肉类原料（猪肉、鸡肉和鸭肉）的混合样品和市售样品进行了检测，证明了该鉴别体系在肉制品真伪鉴别中具有较高的实际应用价值。在猪肉惨假鉴别中，有学者选取线粒体Cytb和12S rRNA分别作为猪肉和家禽肉的靶基因，并利用特异性双重PCR技术对这2 种肉同时进行鉴定，发现这种方法可允许家禽肉中添加1%～75%的猪肉，且灵敏度可达0.1%[33]。Amaral等[34]运用PCR方法对香肠中的野兔、家兔、马鹿、猪和母牛成分的鉴别进行了研究，灵敏度可达0.01%～0.10%。 2.1.2 在肌内脂肪研究中的应用
肌内脂肪（intramuscular fat，IMF）是动物肌肉的重要组成成分，其含量可引起肉的色泽、风味、嫩度、持水力等发生变化，许多研究已经证明某些基因与IMF相关。因此基因组学为IMF相关基因的筛选及功能鉴定提供了有利的技术平台。王文立[35]利用基因芯片技术、生物信息学分析技术以及荧光定量PCR技术筛选和验证了IMF含量不同的大白猪与松辽黑猪背最长肌中差异性表达的基因，研究发现AK3L1、Adipo Q、PPARGC-1、PRKAG、NOR-1、CA3和UCP3基因验证结果与芯片结果一致，这为深入研究调控猪IMF沉淀的关键功能基因和相应的信号通道夯实了基础。黄爱霞[36]采用实时荧光定量PCR等技术，分析了鸡胸肉中瘦素受体编码基因（LEPR）的表达量及其与IMF的联系，发现LEPR基因的表达量与IMF的含量呈一定的正相关性。Kazala等[37]研究了膈肌肋脂中激素敏感脂肪酶（hormone-sensitive triglayceride lipase，HSL）的活性与其含量之间的关系，结果表明，牛肌肉中HSL活性与IMF的含量相关，并说明该项研究在牛新品种选育中具有重要价值。戢爽[38]运用基因芯片技术，分析了延边黄牛皮下脂肪、腹部脂肪以及背最长肌不同脂肪沉积部位的基因网络调控机制，确认了脂肪沉积相关候选基因及其重要代谢通路，这为肉牛育种过程中肉质性状的改良奠定了理论基础。袁章琴[39]
采用生物信息学和DNA芯片技术对影响猪脂肪变性的关键基因进行了研究，并分析了新基因pFAM134B在猪脂肪变性中的作用，发现该基因可促进肌内脂肪的变性。
2.1.3 在肉制品微生物检测中的应用
肉制品在生产和销售的各个环节中，由于其营养丰富极易被外界环境及自身携带微生物污染而腐败变质，不仅降低了其食用价值，也危及到人体健康，因此有必要对其腐败微生物进行检测，基于高通量基因组学技术的迅速发展，其被广泛应用于肉制品微生物检测中。袁伟等[40]应用PCR技术对肉鸭屠宰加工中沙门氏菌的污染进行了研究，成功扩增出沙门氏菌标准株和分离株的275 bp目的片段，灵敏度可达1.2 pg；同时在肉鸭屠宰链中也检测出沙门氏菌存在。陈雪莲[41]研究了某地肉制品中金黄色葡萄球菌femA基因和沙门氏菌invA基因，发现此方法具有极好的特异性和敏感性，可以在肉制品检测中有很大的应用前景。陈晓[42]研究引起肉制品腐败的腐败菌，并对其分离纯化，应用PCR技术分析其导致腐败的原因，此方法特异性、灵敏性和重复性较好。宋东晓[43]
建立的检测方法是针对大肠杆菌和鞭毛的抗原基因以检测牛肉中常见的3 种食源性致病菌，分别是沙门氏菌、单增李斯特菌和大肠杆菌O157：H7。结果表明，此方法具有较高的灵敏性、特异性和符合率，能够简单、快速地同时检测出牛肉中的一种或多种致病菌，这为3 种病原菌的控制奠定了基础。潘彭媛[44]利用比较先进的三重PCR技术对鸡肉中的病原菌做了检测；周巍[45]将基因芯片技术应用于肉中的食源性致病菌的检测，也取得了一定的成果。因此，基因组学在肉制品微生物检测方面非常重要。
2.1.4 在畜禽基因敲除和定点突变中的应用
CRISPR/Cas9系统作为基因组学技术中一种新兴技术，其已广泛应用于畜禽基因敲除和定点突变。有研究报道，利用CRISPR/Cas9系统可对猪、兔、山羊、绵羊等畜禽动物进行基因敲除和定点突变研究。如Han等[46]利用CRISPR/Cas9技术成功敲除了绵羊的肌肉生成抑制素（myostatin，MSTN）基因，其突变效率可达19.3%。Ni等[47]有效地利用CRISPR/Cas9系统对山羊主要成纤维细胞中的单对等位基因和双等位基因进行继续基因编辑，效率可达9%～70%。华文君等[48]采用CRISPR/Cas9技术成功筛选了猪MSTN基因敲除阳性细胞并对其进行了基因表达定量分析。张冬杰等[49]利用CRISPR/Cas9系统对定点突变猪MSTN基因进行了研究，该系统的突变效率为38%，高于利用该系统突变绵羊MSTN基因的效率（19.3%）。有学者[50]采用CRISPR/Cas9系统获得了15 个酪氨酸酶（tyrosinase，TYR）基因突变猪和20 个PARK2、PINK1双基因敲除猪，并且全是纯合子，无致突变性，与传统杂交育种相比，具有效率高、时间短的优势。由此可知，CRISPR/Cas9这种基因编辑系统在禽畜基因敲除、定点突变、基因改良以及新品种的选育中的应用愈发
广泛。
2.2 蛋白质组学在肉品质中的应用
2.2.1 在肉制品真伪鉴别中的应用
2013年涉及英国、法国、瑞典等多达欧洲16 个国家的“马肉风波”曝光以来，世界各国对肉及肉制品掺假问题分外重视[51]。随着蛋白质组学技术的日臻完善，其在肉类真伪鉴别中的应用越发广泛。早在1993年，Taylor等[52]
通过电喷雾质谱法（electron spray mass spectrometry，ESMS）对纯化后的猪、牛、羊、马的蛋白混合样品进行检测，发现牛血红蛋白中掺入了10%的马血红蛋白，但此法只限于检测纯化后的蛋白混合样品。Leitner等[53]采用液相色谱-串联质谱对添入肉类产品中的大豆蛋白与胶原蛋白进行了检测。Sentandreu等[54]通过OFFGEL等电子对焦对提取后的肌原纤维蛋白中的肌球蛋白轻链3进行富集，并用液相色谱-串联质谱检测了经胰蛋白酶分解后生成的肽或氨基酸，可检测出猪肉中掺入0.5%的鸡肉成分。Montowska等[55]采用二维电泳技术从牛、猪、鸡、火鸡、鸭、鹅的生鲜及加工样品中鉴定出了可以差异表达的蛋白质，其中调节蛋白、代谢酶、某些肌原纤维蛋白和肌原纤维血浆蛋白可用作动物源性成分鉴别的蛋白靶标。 2.2.2 在肉嫩度中的应用
风味、质地、色泽等是肉制品重要的食用质量指标，其中质地品质中嫩度是相当重要的，它不仅影响着消费者对肉及肉制品的选择，也影响着烹饪肉、加工肉的感官品质。随着高通量蛋白质组学技术的日趋完善，其在肉嫩度方面的应用也越来越广泛。Taylor等[56]认为钙蛋白酶在肉嫩化中起着主要作用，事实上它是通过抑制蛋白活性来间接抑制宰后肌肉中的钙蛋白酶活力。Freking等[57]指出羊肥臀是由于18号染色体端粒附近的一个小的基因区域发生了突变使钙蛋白酶活力提高2～3 倍所引起的。Koohmaraie等[58]研究了羊肥臀对肌肉生长和肉质性状的影响，发现肥臀羊与其他类别的羊相比，除了宰后肌肉结构的变化速率较慢外没有较大差别，这表明钙蛋白酶和钙蛋白酶抑制蛋白与肉嫩化存在一定的相关性。Lametsch等[59]对钙蛋白酶诱导的肌纤维蛋白降解图谱以及肌原纤维蛋白的降解进行了阐述，发现肌原纤维蛋白中肌动蛋白和肌球蛋白重链即使发生轻微降解都会影响肉的嫩度，但其与肉嫩化之间的相关性还需进一步研究。用二维凝胶电泳技术研究长白猪和韩国本土黑猪屠宰后蛋白质水解对其肉质的影响时发现，肉的嫩度与肌动蛋白α1也有一定的相关性。
2.2.3 在肉持水性中的应用
肉的品质很重要的一个特性就是持水性，对肉的各方面品质都会有影响，例如感官品质、食用品质等。除此之外，还会影响肉的经济价值。近些年来，研究得出肉的持水性和其新陈代谢密不可分，但是关于此方面的研究只取得了很小的进展。一些猪肉具有失水表现型的单基因模型，如不同的钙通道受体和一般被称作RN基因（猪肉酸肉基因）的PRKAG3候选基因等[61]。Lametsch等[62]研究得出由于某种酶的控制使葡萄糖的转运受到影响，从而影响蛋白质组学。而这些结果也能对猪肉失水现象进行解释。有研究发现，生肉滴水现象主要是因为肉体的pH值变化最终引起肌动蛋白肌丝的收缩。特别是在尸僵前pH值急剧下降的状况下，蛋白质变性也可导致持水性下降[63]。van Laack[64]指出PSE（pale-soft-exudative）肉是由于肌浆蛋白变性，降低了肉的持水能力所造成的，这不仅阐释了PSE肉的形成原因，还说明了肌浆蛋白在肉持水能力中的关键作用。Huff-Lonergan等[65]
研究了不同年龄与性别的牛屠宰后其持水性与肌联蛋白和伴肌动蛋白降解的关系，发现这些蛋白的降解也与肉的持水性相关。Penny等[66]也提出，肌原纤维蛋白的变性程度与肉持水性的下降息息相关。
2.2.4 在畜禽疾病预防及肉品质改善中的应用
有研究将iTRAQ技术与二维液相色谱-串联质谱（two-dimensional liquid chromatography-tandem mass spectrometry，2D-LC-MS/MS）相结合应用于分析肺泡巨噬细胞中感染组与未感染组的猪圆环病毒Ⅱ型（porcine circovirus type 2，PCV2）的差异蛋白表达情况中发现，在感染后的不同时间段内鉴定得到了145 个显著差异的细胞蛋白，并且这些差异蛋白与细胞结构、细胞黏连、信号转导及它们的相互作用等生物过程相关，为后期阐明PCV2的发病机制奠定了基础[67]。Nagaraj等[68]对抗感染绵羊和易感绵羊分别提取了经线虫感染3 d后的胃黏膜组织的总蛋白，并通过iTRAQ技术从鉴定到的4 468 个蛋白质中发现有158 个是差异性表达蛋白，且80 个是上调的、78 个是下调的。并且发现三叶肽因子2
（trefoil factor 2，TFF2）和环指蛋白126（ring finger protein 126，RNF126）在抗感染绵羊胃中高度表达，腺苷脱氨酶（adenosine deaminase，ADA）和胃动蛋白3（gastrokine-3，GKN3）在易感绵羊中高度表达，由此确定绵羊体内存在抗线虫感染能力增强的生物标志物。Golovan等[69]利用iTRAQ技术对猪肝细胞中的1 476 种蛋白进行处理，并在错误识别率小于5%的条件下分析了其中880 种蛋白，发现与能量代谢、分解代谢、生物合成、电子传递、氧化还原酶类反应等有关的蛋白含量都显著增加了，这些蛋白在肝脏作为化学和能量工厂这一角色中都发挥着重要的作用。Huang等[70]采用iTRAQ技术与2DLC-MS/MS相结合的方法，在错误率小于5%的条件下从健康奶牛和乳腺炎奶牛乳腺组织的6 499 个蛋白提取物中鉴别出768 个蛋白，其中36 个上调、19 个下调，并提出α1-Ⅰ型胶原基因（COL1A1）和α球蛋白抑制基因H4（ITIH4）在乳腺感染后期的上调表达可能与组织损伤和修复相关联。Zhang等[71]利用iTRAQ技术鉴定出不同浓度氨气条件下鸡肝脏组织中的30 个与营养代谢、免疫应答、转录和翻译、应激反应及解毒作用相关的差异性蛋白，尤其是β-1半乳糖苷酶（beta-1 galactosidase，GLB1）和A激酶锚定蛋白（A-kinase anchor protein 8-like，AKAP8L），且已有科学家提出这2 种蛋白可作为慢性肝损伤的生物标志物，这为预防肝损伤的进一步研究提供了新的依据。上述这些研究为蛋白质组学技术在改善畜禽肉品质以及疾病预防等研究中提供了理论依据。
3 结 语
目前，基因组学和蛋白质组学技术日趋完善，尤其是在功能基因组学、疾病蛋白质组学及差异蛋白质组学方面的发展特别迅速，其影响已深入到生命科学的各个领域。并在重大疾病发生机制、诊断、治疗、新药研发等领域取得了辉煌的成就。生物体是一个复杂的系统，单一的使用基因组学或蛋白质组学技术来阐明复杂的生命现象是很困难的，而且这2 种技术各自都有不足之处，比如基因组学难以精确地体现蛋白质的质与量，因而不能直接从分子层面来解析各种生命现象。虽然蛋白质组学相关技术已取得了很大的进步，但它还不能做到检测生物体中的所有蛋白质，如对多种低丰度调控蛋白的分离。因此只有将2 种组学技术联合使用，才能克服各自技术的不足，进而从基因和蛋白质水平上全面、系统地阐明复杂的生命现象。如贺花[72]采用基因组学与蛋白质组学技术对影响秦川牛肌肉生长发育的相关基因和蛋白质进行了研究，获得了秦川牛背最长肌在基因水平和蛋白水平上的数据信息，不仅为研究背最长肌发育过程中基因结构和基因功能的变化以及代谢通路的调控等提供了理论依据，还有助于了解秦川牛肌肉发育的分子机制和表型差异，最终为消费者提供健康优质的牛肉产品。这为基因组学与蛋白质组学在肉品质研究中的应用提供了新的思路。 在当前的组学研究中基因组学和蛋白质组学是最具有代表性的显现生命现象本质的、高通量的系统性研究技术。可以预计，随着基因组学和蛋白质组学技术的日趋完善，其联用技术在生命科学领域，尤其是肉品质研究领域将具有更广阔的应用前景。
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