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(mei)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(sen)諾(nuo)生物科技股(gu)份有限公司完成(cheng)。

文章亮(liang)點(dian)

深山(shan)奇羊(yang)，待(dai)解之謎

烏骨(gu)(gu)羊(yang)，這(zhe)一珍稀(xi)的(de)(de)(de)綿羊(yang)種群，僅發(fa)現于我(wo)國(guo)云南(nan)蘭坪(ping)、劍川、香(xiang)格里拉等橫斷山脈高海拔地區(qu)。其外(wai)表與普通綿羊(yang)無異，但剖開軀體，可見(jian)骨(gu)(gu)骼(ge)烏黑、內(nei)臟深褐、肌肉暗(an)紅，血液更(geng)是呈現罕見(jian)的(de)(de)(de)暗(an)黑色(se)。自2001年(nian)被(bei)科(ke)學記載(zai)以(yi)來，其黑色(se)本質一直成(cheng)謎，早期(qi)推測(ce)與烏骨(gu)(gu)雞類(lei)似，源于黑色(se)素(su)細胞在胚(pei)胎期(qi)的(de)(de)(de)異常遷移，引發(fa)黑色(se)素(su)沉積。然(ran)而，一直缺(que)乏確(que)鑿的(de)(de)(de)遺(yi)傳(chuan)證據(ju)。作為自然(ran)賜予(yu)的(de)(de)(de)獨特(te)模型，解析烏骨(gu)(gu)羊(yang)黑色(se)之謎不僅具(ju)有重要的(de)(de)(de)基礎科(ke)學意義（探索(suo)色(se)素(su)沉積的(de)(de)(de)新機(ji)制），更(geng)蘊含(han)著巨(ju)大的(de)(de)(de)潛在經濟價值（特(te)色(se)健康食品與生物醫藥資源）。中國(guo)農業(ye)大學鄧(deng)學梅教授團隊聯合(he)國(guo)內(nei)外(wai)科(ke)研(yan)機(ji)構(gou)，歷經數(shu)年(nian)攻(gong)關，終于揭(jie)開了(le)這(zhe)一自然(ran)奇跡的(de)(de)(de)面紗(sha)。

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(gao)鐵血紅素（Ferriheme）過(guo)載所致，這是一種由血紅蛋白代(dai)謝異(yi)常引發的遺傳性全身性鐵過(guo)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(ji)因(yin)在(zai)鐵代謝中的(de)(de)全新功能(neng)，首次提(ti)出(chu)了哺(bu)乳(ru)動物全身性高鐵血(xue)紅(hong)素過載(zai)的(de)(de)自然(ran)模(mo)型，為(wei)人(ren)類鐵過載(zai)相關表(biao)型（如血(xue)色素沉著(zhu)癥）的(de)(de)研究提(ti)供了新視角和(he)新靶點。同時(shi)，也為(wei)烏骨羊作為(wei)特色高鐵血(xue)紅(hong)素富集家畜產(chan)品和(he)潛(qian)在(zai)藥用價值的(de)(de)遺傳資源的(de)(de)科學保護、分子育種及(ji)(ji)高附加值產(chan)品（高鐵功能(neng)性肉(rou)制(zhi)品、鐵補充(chong)劑(ji)）的(de)(de)開(kai)發奠定了科學基(ji)礎(chu)。未(wei)來研究將聚焦于FRRS1L調(diao)控(kong)鐵代謝的(de)(de)精細機制(zhi)、環境-基(ji)因(yin)互(hu)作模(mo)型優化及(ji)(ji)烏骨羊加工產(chan)品的(de)(de)深(shen)度(du)開(kai)發。

結果與(yu)分析(xi)

1. 黑(hei)色本(ben)質揭秘：非黑(hei)色素，乃高鐵血紅素過載

研究團隊首(shou)先(xian)排除了黑(hei)色素沉積(ji)的可(ke)能(neng)性：

• 組織學與免疫組化：烏骨羊色素沉(chen)著組(zu)織(zhi)中缺乏(fa)黑色素細(xi)胞標(biao)志物（酪氨酸(suan)酶、S-100、MITF）。

• 關鍵(jian)基因表(biao)達：調控黑色素合成的核心(xin)基因（TYR, MC1R, Agouti）在(zai)烏骨羊(yang)（LP-BBS）與同地域普通羊(yang)（LP-NBS）間的表達無顯著(zhu)差異。

• 色素化(hua)學(xue)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(gao)鐵(tie)血紅素（Ferriheme，峰值為氯化高(gao)鐵(tie)血紅素）高度匹配，顯著區別于烏骨雞黑(hei)(hei)色素(su)或(huo)墨魚汁黑(hei)(hei)色素(su) (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(zhi)標變化(hua)：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(zhuan)運的轉(zhuan)鐵蛋白（Transferrin）水平顯(xian)著降低 (圖1D, E, F)。

• 組織學變(bian)化(hua)：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(yang)化應(ying)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(xing)輕度炎癥（多器官炎(yan)性(xing)細胞浸(jin)潤，圖2D），導致少量腎小管(guan)上皮細胞損傷壞死 (圖2C) 及輕度生殖系統病變(bian)（卵(luan)泡閉(bi)鎖、子宮細胞部分壞死，圖2E)。

結(jie)論1：烏骨羊(yang)的“烏骨”現象本質(zhi)是(shi)血(xue)(xue)紅蛋白(bai)代謝障礙(ai)導致的全身性高鐵血(xue)(xue)紅素過(guo)載，伴(ban)隨(sui)系統性鐵代謝紊亂(luan)和多(duo)器官病(bing)理損傷。

圖1. 烏骨(gu)羊的烏質表型(xing)與黑色物質特(te)征(zheng)鑒定

圖2. 烏骨羊體(ti)內色素(su)沉積(ji)對組織器官的潛在影(ying)響(xiang)

2. 基因尋(xun)蹤：鎖定(ding)FRRS1L及其關鍵突(tu)變

為追溯(su)鐵代謝(xie)異常(chang)的遺(yi)傳根源(yuan)，團(tuan)隊展開(kai)了(le)系(xi)統基因(yin)組(zu)學(xue)研究：

• 群體遺傳與選擇信號分析：對來自橫(heng)斷山脈不同海(hai)拔地(di)方的烏骨羊(yang)（LP-BBS, n=16）、同地(di)域非(fei)烏骨羊(yang)（LP-NBS, n=5）及(ji)周邊(bian)其(qi)他(ta)普通(tong)羊(yang)種(zhong)群（n=26）進行基(ji)因組測序（NGS）。基(ji)于群體分(fen)化(hua)指數（Fst）和(he)核苷(gan)酸多(duo)樣性(xing)比值（θπ）分(fen)析，篩選出(chu)677個受選擇基(ji)因。功(gong)能富集(ji)顯示這些基(ji)因與離(li)子通(tong)道、金屬結合（尤其(qi)是鎂、鋅）及(ji)轉(zhuan)移酶活性(xing)相關，暗示其(qi)可能與血(xue)紅素(su)代謝和(he)鐵(tie)轉(zhuan)運(yun)存在關聯。

• 全基因(yin)組關聯分析(xi)（GWAS）：利用烏骨羊公羊（n=3）與薩福克母羊（n=42）雜交建立的(de)具有(you)清晰鐵過載表型分(fen)離的(de)群體(ti)（n=42）進行(xing)GWAS分(fen)析，鑒定出與表型顯著(zhu)關聯的(de)SNP位點。

• 關鍵基因(yin)定位(wei)：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(zhi)參與血紅素(su)和鐵的(de)識(shi)別(bie)。

• 關鍵突變(bian)驗(yan)證(zheng)：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(wei)(wei)基因頻率(lv)在(zai)(zai)LP-BBS中達(da)(da)0.92) 和 g.1016C>A (A等位(wei)(wei)基因頻率(lv)在(zai)(zai)LP-BBS中達(da)(da)0.79)。這兩(liang)個突變在非烏骨羊(yang)群體中頻率均(jun)為(wei)0 (圖(tu)4F)。群體遺傳分(fen)析表(biao)明該表(biao)型可能受(shou)主(zhu)效基因控制并受(shou)多(duo)基因修(xiu)飾，呈顯性遺傳模式。

結論2：FRRS1L是導致(zhi)烏骨羊高鐵(tie)血紅素(su)過載的關(guan)鍵候選基因，其3’-UTR區域的特異性突變（g.4852G>T 和(he) g.1016C>A）與表型高度關(guan)聯。

圖(tu)3. 烏骨羊基因(yin)組選擇信(xin)號定位(wei)和(he)關鍵(jian)調控(kong)基因(yin)挖掘

3. 機制(zhi)解析：FRRS1L突變導致其蛋白表(biao)達(da)下調，引發細胞(bao)內(nei)鐵氧化還原失衡(heng)

為闡明(ming)FRRS1L突變如何導致(zhi)“烏質”表型(xing)，團隊進行了深入的功(gong)能驗證(zheng)：

• 突變影(ying)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(he) g.1016C>A (SNP2) 能(neng)顯著降(jiang)低報(bao)告(gao)基因表達(da)，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(pu)通羊的結果(guo)一致(zhi) (圖(tu)4C-E)。

• 細胞模型驗證(zheng)：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(yuan)物FRRS1的表(biao)達后，細胞質內出現大量高鐵血紅素顆粒(li)沉(chen)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(su)合成關鍵基因(yin)（ALAS1, FECH）的表達 (圖5C)，形成反饋循環。

結論(lun)3：FRRS1L 基因3’-UTR突變（尤(you)其g.4852G>T）通(tong)(tong)過(guo)降低(di)其mRNA穩定性(xing)或(huo)翻譯效率，導(dao)致(zhi)巨噬細(xi)胞中FRRS1L蛋(dan)白(bai)表達不足(zu)。FRRS1L功能(neng)缺陷(xian)阻礙了巨噬細(xi)胞對血(xue)紅蛋(dan)白(bai)降解產物（鐵血(xue)紅素）的有效處理和(he)(he)還原，導(dao)致(zhi)高鐵血(xue)紅素累積，引發全(quan)身(shen)性(xing)鐵過(guo)載(zai)，并(bing)伴有輕度(du)氧(yang)化應激和(he)(he)炎癥損傷。高海(hai)拔低(di)氧(yang)環(huan)境可能(neng)通(tong)(tong)過(guo)增加血(xue)紅蛋(dan)白(bai)合成和(he)(he)血(xue)管通(tong)(tong)透性(xing)等(deng)因素，協同促(cu)進該色(se)素發生和(he)(he)在全(quan)身(shen)多組織器官中的沉積。

圖4. FRRS1L在烏骨羊(yang)體內的表(biao)達

圖(tu)5. FRRS1L表達與高鐵(tie)血紅素沉積的體外(wai)細(xi)胞驗證

結論與展望(wang)

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(guan)鍵突變導致其蛋白表達下調，引發血紅蛋白中鐵(tie)離子氧化(hua)還原異(yi)常和高鐵(tie)血紅素全身性過(guo)載，而非傳統認為的黑色素沉積。這(zhe)不僅解開(kai)了(le)困(kun)擾多年的(de)“烏骨”之謎，更(geng)取(qu)得(de)了(le)多項(xiang)突破(po)性科(ke)學發現：

1.鑒定基因新(xin)功(gong)能：首次將FRRS1L基(ji)因(yin)與系(xi)統(tong)性(xing)鐵(tie)(tie)代謝調控聯(lian)系(xi)起來，拓展了對鐵(tie)(tie)穩態分子(zi)網(wang)絡的認識，為研究(jiu)人類鐵(tie)(tie)過載相關表型（如非HFE型血色(se)素沉著癥）提供了全新視(shi)角和潛(qian)在治療靶點。

2.建立寶(bao)貴動(dong)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(tie)血(xue)紅素過載自然模型，為研(yan)究(jiu)鐵(tie)代謝異(yi)常的(de)病理生理機制、基因-環境（尤其是(shi)低氧(yang)）互(hu)作(zuo)以及(ji)潛在干(gan)預策(ce)略提供了不可多(duo)得(de)的(de)活體研(yan)究(jiu)平臺(tai)。

3.闡明獨特環(huan)境(jing)適應性(xing)：研究揭(jie)示了高海(hai)拔低(di)氧環(huan)境在烏骨(gu)羊表(biao)型形成中的重要作用，為理解(jie)動物在極端環(huan)境下的適應(ying)性進(jin)化(hua)提供了范例(li)。

展望未來(lai)，烏骨羊的研究(jiu)與產(chan)業開發潛力巨大：

• 基礎研究深化：

深入解析FRRS1L蛋白在巨噬(shi)細胞鐵(tie)還原中的具體分子(zi)機制及信號通路。精確(que)量化高(gao)海拔低氧(yang)環(huan)境參數(shu)（氧(yang)分壓(ya)、時長）對FRRS1L表(biao)達(da)及高(gao)鐵(tie)血紅素沉積的影(ying)響，建立基(ji)因-環(huan)境互作模(mo)型。利用該模(mo)型可(ke)篩選和驗證(zheng)緩(huan)解鐵(tie)過(guo)載損(sun)傷的藥物或功能性分子(zi)。

• 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(zi)標記輔(fu)助選擇（MAS）技術，用于烏骨羊(yang)的(de)種質鑒定、品種選育和群(qun)體復壯(zhuang)，保障(zhang)種群(qun)遺傳純(chun)度(du)和特色(se)性(xing)狀(zhuang)穩定遺傳。利用該技術建立科學的(de)烏骨羊(yang)保種方法和核心育種群(qun)體，制定保種育種規劃。

• 高(gao)附加值(zhi)產業開發：

特色健康肉制品：烏骨羊肉天然富含生物可(ke)利用性高的天(tian)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(pin)：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(xin)型鐵補充劑(ji)或生物材料。藥食同源產(chan)品：結合傳統(tong)認知與(yu)現代科學驗證，研究烏骨羊產品（肉(rou)、骨湯等(deng)(deng)）在(zai)改(gai)善貧(pin)血、抗(kang)氧化等(deng)(deng)方面的(de)功(gong)效，開發具有(you)明確健康宣稱的(de)功(gong)能(neng)性食(shi)品。

• 助(zhu)力(li)鄉村振(zhen)興：

烏骨羊作為云南橫斷山區的特色稀缺(que)資源，其科學的保護(hu)和(he)產業化(hua)開發，將成為(wei)當地畜牧業轉型升級(ji)、農民(min)增(zeng)收(shou)致富(fu)的重要抓(zhua)手，推動邊疆民(min)族(zu)地區(qu)經濟發展。

團(tuan)隊與(yu)項目

主(zhu)要作者：該研究由中國農業大學動物科學技術學院鄧學(xue)梅教授領銜，聯合云南農(nong)業大學(xue)(xue)鄧(deng)衛(wei)東/毛華明/茍瀟團隊(dui)和美(mei)國賓(bin)夕法尼亞(ya)州(zhou)立大學(xue)(xue)柳萬生教授(shou)等共同(tong)完(wan)成。韓(han)德平副教(jiao)(jiao)授（現就職于北京大(da)學(xue)現代農業(ye)研究院）和張媛媛博士為(wei)共同(tong)第一作者，美國(guo)Pennsylvania State University的Wansheng Liu教(jiao)(jiao)授和中國(guo)農業(ye)大(da)學(xue)的鄧學(xue)梅教(jiao)(jiao)授為(wei)共同(tong)通訊(xun)作者。

資(zi)金(jin)支持：該研究得(de)到(dao)了STI 2030-重大項目（20232D040750X）、國家自然(ran)科(ke)學(xue)基金聯合基金（U1136605）、中國農(nong)業大學(xue)2115人才發(fa)展計劃等項目的支(zhi)持。

通訊(xun)作者簡介(jie)：

鄧學(xue)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(zai)畜禽遺傳資源評價、保護與創新利用，特色地方品種（如綠殼(ke)蛋(dan)雞、烏骨雞、烏骨羊等）種質(zhi)特性挖掘、重(zhong)要性狀的(de)遺傳機(ji)制解析及分子育種技術開發等方面(mian)做出了系統性和(he)開(kai)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(yin)組，和雄(xiong)性生(sheng)殖方面的(de)研(yan)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(xing)(xing)染色體遺傳，精子發生(sheng)和雄性(xing)(xing)生(sheng)殖等方面做出(chu)了開創性(xing)(xing)工作。

結語(yu)

烏(wu)(wu)(wu)骨(gu)羊(yang)(yang)(yang)，這(zhe)一(yi)隱匿于橫斷山(shan)脈深處的(de)自然(ran)瑰寶(bao)，其(qi)“烏(wu)(wu)(wu)骨(gu)”之謎的(de)破解，是基礎科(ke)(ke)(ke)學研(yan)究與(yu)地方特色(se)資源挖掘完(wan)美結合的(de)典范(fan)。中(zhong)國農業(ye)(ye)大(da)學鄧學梅(mei)團隊及(ji)其(qi)合作(zuo)者的(de)工(gong)作(zuo)，不(bu)僅揭示了(le)FRRS1L基因在(zai)鐵代謝中(zhong)的(de)全新(xin)角色(se)，為(wei)人(ren)類疾(ji)病研(yan)究提供(gong)了(le)珍貴(gui)模型，更(geng)照亮了(le)烏(wu)(wu)(wu)骨(gu)羊(yang)(yang)(yang)這(zhe)一(yi)珍稀(xi)遺傳資源邁向(xiang)科(ke)(ke)(ke)學保護、高效育種和高端大(da)健康(kang)產業(ye)(ye)開發的(de)廣(guang)闊道路。從深山(shan)走向(xiang)世界(jie)，從謎題變為(wei)寶(bao)藏(zang)，烏(wu)(wu)(wu)骨(gu)羊(yang)(yang)(yang)的(de)故(gu)事(shi)，是科(ke)(ke)(ke)學賦予自然(ran)饋贈新(xin)生(sheng)命的(de)生(sheng)動寫照。未來，隨著研(yan)究的(de)深入和產業(ye)(ye)鏈的(de)完(wan)善，這(zhe)只承載(zai)著自然(ran)密碼與(yu)科(ke)(ke)(ke)技力量(liang)的(de)“鐵血(xue)黑羊(yang)(yang)(yang)”，必將為(wei)人(ren)類健康(kang)與(yu)區域發展貢獻獨特價值。

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