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Cloning ,Tissue Expression Pattern and Bioinformatics Analysis of HOXA6 Gene in Maiwa Yak

麦洼牦牛HOXA6基因编码区的克隆、组织表达特征及生物信息学分析



全 文 :·研究报告·
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2013年第12期
同源异型盒 HOX 簇基因(Homeobox),最早在
果蝇中发现,是一类专门调控生物体形体发育的基
因,进化上相对保守,属于高表达 DNA 序列,且在
肢体发生中发挥着控制性的影响作用[1]。目前,研
究发现大部分哺乳动物都有 39-52 个基因组成的 4
个 HOX 基因簇[2,3],分别位于不同染色体上,呈线
性排列,但是每一簇基因的具体作用机制尚未研究
清楚。大量研究表明,HOX 基因是动物躯干发育的
收稿日期 :2013-07-05
基金项目 :国家科技支撑计划(2012BAD13B06),西南民族大学中央高校基本科研业务费专项资金(13NZYQN24,TS11126)
作者简介 :李宇,女,硕士研究生,研究方向 :细胞与胚胎工程 ;E-mail :liyu880902@163.com
通讯作者 :李键,男,教授,博士,研究方向 :动物生殖调控 ;E-mail :lijian@swun.cn
麦洼牦牛 HOXA6 基因编码区的克隆、组织表达特征及
生物信息学分析
李宇  熊显荣  宋虎  李键
(西南民族大学生命科学与技术学院,成都 610041)
摘 要 : 利用分子克隆技术成功获得麦洼牦牛 HOXA6 基因编码区序列,并结合内参基因通过实时相对定量 PCR 法检测
HOXA6 基因在麦洼牦牛各组织中的表达分布。采用生物信息学方法对该基因及其编码的蛋白进行基本理化性质、疏水性、二级结
构等分析,并构建原核重组表达系统。结果表明,该基因包含一个大小为 702 bp 的开放阅读框,编码 233 个氨基酸 ;所编码的蛋
白属于亲水性蛋白,二级结构主要由无规则卷曲和 α 螺旋为主。HOXA6 基因的编码产物氨基酸进化树表明,HOXA6 基因进化极其
保守,牦牛 HOXA6 与牛、绵羊、马等物种氨基酸遗传距离较近。对其编码区序列比对显示,该序列具有高度保守性,与其他物种
同源性较高。
关键词 : 麦洼牦牛 HOXA6 基因 克隆 组织表达 生物信息学分析
Cloning,Tissue Expression Pattern and Bioinformatics Analysis of
HOXA6 Gene in Maiwa Yak
Li Yu Xiong Xianrong Song Hu Li Jian
(College of Life Science and Technology Southwest University for Nationalities,Chengdu 610041)
Abstract:  A coding region sequence of Maiwa yak(Bos grunnien)HOXA6 was cloned in this research.Tissue expression patterns were
detected by RT-PCR in combination with the reference gene(GAPDH). Some characters of the HOXA6 gene and encoded protein sequences
were analyzed by the methods of bioinformatics in the following aspects as the general physical and chemical properties, hydrophobicityand
secondary structure. Prokaryotic expression system was also constructed in the present study. Results showed that the coding region sequence
of Maiwa yak HOXA6 contains a complete ORF(702 bp)which encode 233 amino acids. The protein encoded by Maiwa yak HOXA6 is a
hydrophilic protein, and the secondary structures are mainly composed of a-helix and random coli. The phylogenetic tree shows that the protein of
Maiwa yak was so closed to cattle, sheep and horse. Sequence alignment of HOXA6 gene showed highly homology in yak with other species.
Key words:  Maiwa yak HOXA6 gene Cloning Tissue expression Bioinformatic analysis
框架设计基因,对 DNA 的合成和转录起关键性作用,
每个 HOX 基因都有特定的表达域,共同调控机体发
育。赵静等[4]研究乌珠穆沁旗的蒙古羊发现,多胸
椎羊的 HOX 基因表达异常 ;张燕军等[5]报道 HOX
基因的转录调节因子在毛囊发育和周期变化中有广
泛的作用 ;Vider 等[6]用筛选法检测不同 Dukes 分
期的结直肠癌组织中多种 HOX 基因过表达。
牦牛被称作高原之舟,麦洼牦牛是我国高原型
2013年第12期 89李宇等 :麦洼牦牛 HOXA6 基因编码区的克隆、组织表达特征及生物信息学分析
地方良种,主产于四川省阿坝藏族羌族自治州红原、
若尔盖一带,它具有遗传稳定,奶肉兼用,乳脂含
量高等优良特性。在长期的自然选择和人工选择的
共同作用下,麦洼牦牛对高海拔、低温、低氧牧区
具有良好适应性,能利用高寒草场资源带来优质、
安全、营养的绿色食品[7]。牦牛业是牧区经济的支
柱产业,是牧民经济收入的主要来源,是我国珍贵
的畜种资源和宝贵的基因库[8]。因此,保护牦牛遗
传资源、提高牦牛生产性能、研究牦牛生长发育及
其调控模式等对充分发挥牦牛资源特性、促进牧区
发展具有重要意义。
目前对 HOXA6 基因的研究还较少,主要集中在
其影响动物体轴发育、肢体调控方面。HOXA6 基因
在哺乳动物胚胎发育的早期表达,提供体轴骨特异
的位置、数量、形态等信息[9]。Dusan 等[10]研究表
明 HOXA6 基因表达异常,会导致动物胸部肋骨表达
异常。Tserang 等[11]在四川金川县毛日乡牦牛群体
调查统计中发现,群体中具有多肋骨的个体占总群
体达 52%,且该群体繁殖率和生产性能都明显偏高。
为此,初步预测该群体 HOX 基因部分表达异常。本
研究从麦洼牦牛 HOXA6 基因的编码区入手,设计特
异表达引物 PCR 扩增出牦牛 HOXA6 基因的编码区
序列,对其编码的蛋白序列进行生物学分析,并构
建重组表达系统,旨在为进一步揭示 HOX 基因对牦
牛生长发育、胚胎骨骼发育等的作用提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 组织 四川红原县屠宰场分别采集成年麦洼
牦牛的心脏、肝脏、脾、肺、肾脏、乳腺、胃、大肠、
小肠、脑、睾丸、肌肉及卵巢 13 种组织,保存在 -80℃
备用。
1.1.2 主要仪器和试剂 普通 PCR 仪、电泳仪、琼
脂糖凝胶成像系统均购自美国 Bio-Rad 公司 ;引物
由上海英骏公司合成 ;Taq DNA 聚合酶购自天根 ;
pMD19-T Vector 购自 TaKaRa 公司 ;pET-32a 本实验
室保种 ;DNA 片段回收纯化试剂盒购自 AXYGEN
公司 ;反转录试剂盒购自 Fermentas 公司 ;TRIZOL
试剂购自 Invitrogen 公司 ;内 切 酶 BamH I、Xho I、
T4 连接酶均购自美国 NEB 公司。
1.2 方法
1.2.1 组织 RNA 的提取 分别取麦洼牦牛 13 种组
织样品,称量约 1 g,按照传统 TRIZOL 法提取各组
织总 RNA,检测其浓度与完整度,保存于 -80℃备用。
1.2.2 麦洼牦牛 HOXA6 基因 CDS 区克隆和生物信
息学分析 根据 GenBank 登录牛的 HOXA6 基因的
CDS 区序列(XM_003585981)设计两条分别带有
BamH I 和 Xho I 酶切位点的原核表达引物,下划线
处为酶切位点(表 1)。
表 1 HOXA6 基因的 CDS 区引物序列
引物 引物序列(5-3) 酶切位点(下划线)
HOXA6 CGGGATCCATGAGTTCCTATTTTGTGAA BamH I
CCCTCGAGCTATTCGCCTGCCTTTGCCT Xho I
以心脏组织中反转录的 cDNA 为模板进行 PCR
扩增,预期扩增片段 702 bp。采用 25 μL 体系,反
应条件 :95℃预变性 5 min ;94℃变性 1 min,57℃
退火 45 s,72℃延伸 45 s,35 个循环 ;72℃延伸 5
min。PCR 产物,用 10 g/L 琼脂糖凝胶电泳检测扩增
结果。将 PCR 产物与 pMD19-T 载体连接,转化到感
受态大肠杆菌 DH5α 中,涂布于含有 Amp 的培养平
板,37℃恒温培养箱过夜,挑取单菌落,菌液 PCR
筛选阳性克隆,样品由上海英骏公司完成测序。
扩增得到牦牛 HOXA6 基因编码区序列,开放
阅读框采用 ORF Finder 在线程序预测 ;牦牛蛋白质
的基本理化性质和疏水性质运用 ExPASy 网站的在
线工具 Protparam 和 ProtScale 分析 ;蛋白质的二级
结构和三级结构采用 SOPMA 和 Interpro 在线预测网
站预测 ;利用 DNAstar 软件对克隆得到的麦洼牦牛
HOXA6 编码区与 NCBI 基因库中绵羊,老鼠等其他
动物进行同源性比对,并用 MEGA 软件进行进化树
分析。
1.2.3 重组表达载体的构建和诱导表达 选取阳性
克隆的菌液,在含有 Amp 的 LB 培养液中扩大培养
提取质粒,用 BamH I 和 Xho I 双酶切,回收 HOXA6
小片段,与经 BamH I 和 Xho I 双酶切后回收的 pET-
32a(+)线性表达载体连接,构建原核表达载体
pET-32a(+)-HOXA6。 将 pET-32a(+)-HOXA6 转
入感受态 BL21,Amp 筛选,37℃ LB 培养基振荡培
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2013年第12期90
养至 OD 值约为 0.6,1 mmol/L IPTG 进行诱导,27℃
摇床诱导培养,分别 0、1、2、4、6 和 8 h 收取菌
液样品 4 mL,加 2× 上样缓冲液中煮沸,10% SDS-
PAGE 电泳检测,预期融合蛋白的分子量约为 44
kD。
1.2.4 HOXA6 基因的组织特异性分析 上述 RNA
提 取 物, 按 试 剂 盒 说 明 书 逆 转 录 成 cDNA 保 存
至 -20℃。根据 GenBank 登录牛的 HOXA6 基因序列
(XM_003585981)设计半定量和内参引物。
表 2 HOCA6 基因半定量及内参引物
引物 引物序列(5-3)
HOXA6 GGCAGTGGCAAACAGAGG
CAGGTAGCGGTTGAAGTGG
GAPDH TGGTGCTGAGTATGTGGTGG
TCTTCTGGGTGGCAGTGATG
以获得的 cDNA 为模板,进行 PCR 扩增,预期
片段长度为 267 bp 和 290 bp。反应体系为:cDNA 0.5
μL,2×Taq MasterMix 12.5 μL,上下游引物各 1 μL,
双蒸水 10 μL。反应条件 :95℃预变性 5 min ;94℃
变性 1 min,58℃退火 30 s,72℃延伸 30 s,35 个循
环 ;72℃延伸 5 min。将各组织的 PCR 产物,用浓
度为 15 g/L 琼脂糖凝胶电泳检测扩增结果,把各组
织的 HOXA6 基因 PCR 扩增产物电泳条带与内参基
因 GAPDH 的扩增产物条带进行亮度比较。
2 结果
2.1 HOXA6 编码区片段的获得
参 照 NCBI 公 布 牛 的 HOXA6 基 因 序 列
(XM_003585981),设计原核表达引物,RT-PCR 法
对麦洼牦牛肝脏中 HOXA6 基因进行扩增(图 1),
出现单一的目的条带,片段大小约为 702 bp 与预期
结果一致,胶回收连接到载体 pMD19-T 上,挑选阳
性克隆,进行测序。
将获得的序列与 NCBI 数据库中进行 Blast 分
析,结果(图 2)表明,该序列高度保守,与其他
动物存在高度的同源性,初步推测该序列为 HOXA6
的 CDS 区,长度为 702 bp,编码 233 个氨基酸,终
止密码为 TAG。与牛的 HOXA6 基因编码区比对,
发现有一个碱基的差异,该差异导致了一个氨基酸
的改变。将该序列与 NCBI 数据库进行 BLAST 分析
(图 3)和氨基酸进化树分析(图 4)。
750
bp
M 1 2 3 4 5 6
M :DNA marker 2000 ;1-6 :HOXA6 在牦牛心脏的表达
图 1 PCR 产物电泳图
46
91
136
181
226
271
316
361
406
451
496
541
586
631
676
1
图 2 牦牛 HOXA6 基因编码的蛋白序列
图 3 牦牛 HOXA6 基因编码区核苷酸序列与其他物种的同
源性比较
Bos grunniens
Bos taurus
Equus caballus
Felis catus
Gallus
Gorilla
Home sapiens
Mus musculus
Oryctolagus cuniculus
Ovis aries
Taeniopygia guttata
D
iv
er
ge
nc
e
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
0.1
2.9
2.8
21.4
4.7
4.4
6.9
13.7
0.9
21.8
97.2
97.3
2.5
20.8
4.4
4.1
6.3
13.3
3.2
21.8
96.9
97.0
97.0
20.4
4.0
3.7
6.8
12.4
3.1
21.4
81.5
81.6
81.9
81.8
22.0
21.6
23.4
27.8
21.4
7.6
95.4
95.6
95.7
95.6
81.3
0.3
7.1
14.7
5.0
21.9
95.7
95.9
96.0
95.8
81.6
99.7
7.1
14.4
4.7
22.0
93.4
93.6
94.0
93.0
80.2
93.3
93.3
16.4
7.3
24.6
84.5
84.6
84.8
85.5
74.7
83.8
84.1
84.4
13.7
28.4
99.1
99.3
96.9
96.6
81.3
95.2
95.4
93.1
84.6
21.8
81.5
81.6
81.8
81.3
92.8
81.3
81.3
79.3
74.3
81.5
99.9
2.8
2.6
21.2
4.6
4.3
6.8
13.5
0.7
21.6
1 2 3 4 5 6
Percent Identity
7 8 9 10 11
2.2 麦洼牦牛HOXA6基因编码蛋白的生物学信息
分析
2.2.1 牦牛 HOXA6 基因编码蛋白的理化性质 该蛋
白分子量为 26.39 kD,理论等电点为 9.08。含有 20
种基本氨基酸,其中含量最高的是 Ser(11.6%),含
2013年第12期 91李宇等 :麦洼牦牛 HOXA6 基因编码区的克隆、组织表达特征及生物信息学分析
量最低的是 Trp(1.3%);含有正负电荷残基个数分
别为 30 和 23。该蛋白的平均亲水系数是 -0.879。
2.2.2 牦牛 HOXA6 基因编码蛋白的疏水性分析 根
据氨基酸亲水性 / 疏水性规律分析,分值越低的亲
水性越强,分值越高的疏水性越强。该基因的编码
蛋白多肽链第 186 位 Ile 具有最高分值 4.500 和最强
疏水性,第 206、207 位 Arg 具有最低分值 -4.500 和
最强亲水性(图 5)。
析 蛋白质的理化性质和生物学活性取决于其空间
结构,因此使用 SOPMA 服务器预测牦牛 HOXA6 基
因编码的蛋白二级结构,结果(图 7)显示,该蛋
白由 68.67% 无规则卷曲、4.29% 的延伸链、1.72%β
转角和 25.32% 的 α 螺旋组成。可推断该蛋白主要由
无规则卷曲和 α 螺旋组成,无规则卷曲分布于整个
蛋白中。
2.3 牦牛HOXA6 基因重组子鉴定、诱导表达
普通 PCR 法筛选出阳性克隆菌落,扩大培养,
提取质粒,双酶切,琼脂糖凝胶电泳检测(图 8),
得到一条 5 900 bp 左右的 pET-32a 线性片段和 700
bp 左右的插入片段,成功筛选到带有目的片段的阳
性重组表达质粒 pET-32a(+)-HOXA6。筛选阳性
BL21 菌株,IPTG 诱导表达,SDS-PAGE 电泳检测(图
9),在 44 kD 处出现特异性条带,并随着时间增加
蛋白的表达浓度增加。
2.4 HOXA6的组织表达特征
以麦洼牦牛的心脏、肝脏、脾脏、肺、肾脏、乳腺、
胃、大肠、小肠、脑、睾丸、肌肉及卵巢等组织为
材料,提取其总 RNA,采用半定量的方法对 HOXA6
在不同组织中 mRNA 的表达量进行分析。结果(图
10)显示,HOXA6 基因在各组织中均有表达,在心脏、
肝脏、脾脏、肺、肾脏等表达量相对较高,在乳腺、胃、
大肠、小肠、肌肉、暖巢等组织表达量较少,在睾丸、
脑中几乎不表达。
3 讨论
HOX 基因是一类含有共同的 183 个核苷酸序列
的基因簇,广泛表达于中胚层和外胚层,内胚层表
达相对较少[12]。本试验分别采集了牦牛的心脏、肝
脏、脾脏、肺、肾脏、乳腺、胃、大肠、小肠、脑、
睾丸、肌肉及卵巢等组织,分别提取 RNA,RT-PCR
法对 HOXA6 基因进行克隆测序并进行表达谱分析。
将麦洼牦牛 HOXA6 基因的核苷酸测序与欧洲牛进行
比较之后发现,在第 570 位上存在碱基差异(G → C)
并导致了氨基酸的改变(A → G),经过分析比对,
氨基酸的改变对该蛋白构象影响很小,至于对其蛋
白功能影响我们正在进行更深一步的研究。构建原
核表达系统,经诱导获得高浓度重组蛋白,实现
HOXA6 在大肠杆菌中高效表达。组织表达谱检测结
Gallus
Taeniopygia guttata
Oryctolagus cuniculus
Mus musculus
Home sapiens
Gorilla
Equus caballus
Felis catus
Ovis aries
Bos grunniens
Bos taurus
0.08 0.06 0.04 0.02 0.00
图 4 牦牛与其他物种的进化关系分析
50
Sc
or
e
3
2
1
1.5
0.5
0
1
0.5
1.5
2
2.5
100 150 200
Position
图 5 牦牛 HOXA6 基因编码蛋白疏水性分析
2.2.3 牦牛 HOXA6 基因编码蛋白结构域和蛋白功
能位点预测 利用 Interpro 在线工具对牦牛 HOXA6
基因编码蛋白进行结构域预测,结果(图 6)表明,
该序列在第 155-212 位氨基酸之间具有完整的 DNA-
binding domain 功能域。使用 NetPhos 2.0Server 在线
服务器对牦牛 HOXA6 基因编码蛋白分析,结果显示
该蛋白具有 24 个磷酸位点。
2.2.4 牦 牛 HOXA6 基 因 编 码 蛋 白 的 高 级 结 构 分
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2013年第12期92
果发现 HOXA6 基因在大部分内脏组织中都有表达,
表明 HOXA6 基因在牦牛的内脏组织中分布比较广
泛,与郑艳军等[13]报道的 HOX 基因在小鼠胚胎表
达谱结果基本一致。
HOX 基因在表达上遵守严格的时空共线性原则
和后部优势原则[14],并且不同 HOX 基因簇之间在
表达功能上具有同源性,导致功能叠加[15]。目前本
研究主要通过基因敲除、基因表达特异性、同簇基
因之间的调控关系来研究 HOX 基因对生物体的调控
作用[16],其表达异常所引起的生物体表型突变已引
起了广泛关注。基于目前的研究结果,初步推测在
麦洼牦牛体节发育过程中,HOXA6 可能会对其发育
过程有一定的调控作用。本试验构建的 HOXA6 原核
表达体系能够高效地表达该蛋白,这将为我们对其
功能进行深入研究提供充足的实验基础,李强等[17]
发现的多肋骨牦牛也为后期检测多肋牦牛群体中
HOX 基因的表达情况提供了丰富的试验材料,为后
续研究 HOXA6 基因在牦牛体节发育中的作用奠定
基础。
4 结论
麦洼牦牛 HOXA6 基因包含一个 702 bp 的开放
PF00046
SM00389
PS50071
IPR001356
Inter Pro Match
1
Homeodomain
Query Sequence
233
Description
Homeobox
Homeodomain
HOMEOBOX_2
长竖线区 :α 螺旋(h);中竖线区 :延伸链(e);次中竖线区 :β 转角(t);短线区 :无规则卷曲(c)
图 6 牦牛 HOXA6 基因编码蛋白的结构域预测
10 20 30 40 50 60 70
50 100 150
图 7 牦牛 HOXA6 基因编码蛋白的二级结构预测
6000
750
bp bp
M1 M21
M1 :DNA marker 10000 ;1 :双酶切的重组质粒 ;M2 :DNA marker 2000
图 8 重组表达质粒 pET-32a(+)-HOXA6 的酶切鉴定
M :蛋白 Marker ;1-6 :依次分别为诱导 0、1、2、4、6 和 8 h 蛋白表达量
图 9 SDS-PAGE 分析重组蛋白的表达
M 1 2 3 4 5 6
44
kD
M 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
GAPDH
HOXA6
M.DNA marker 2000;1-13. HOXA6 和 GAPDH 在心脏、肝脏、脾脏、肺、肾脏、
乳腺、胃、大肠、小肠、脑、睾丸、肌肉、卵巢中的表达
图 10 HOXA6 在各组织中的表达量分析
2013年第12期 93李宇等 :麦洼牦牛 HOXA6 基因编码区的克隆、组织表达特征及生物信息学分析
阅读框,编码 233 个氨基酸 ;该蛋白的平均亲水系
数为 -0.879,属于亲水性蛋白。其编码蛋白的二级
结构主要以无规则卷曲和 α 螺旋为主,共有 24 个磷
酸化位点。HOXA6 基因编码蛋白序列具有高度的相
似性,进化极其保守。
参 考 文 献
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(责任编辑 马鑫)