Генетическая архитектура признаков воспроизводства свиней породы ландрас российской репродукции
Ландрас относится к породам беконных свиней. Отличительной их чертой является мясо с низким содержанием жира. Кроме того, эти свиньи обладают достаточно высоким темпом роста и многоплодностью. Подобные показатели положительно влияют на экономическую значимость данной породы, что в свою очередь предполагает увеличение производства свиней породы ландрас. При этом для повышения экономических выгод от разведения свиней породы ландрас необходимо проводить генетическую оценку — как свиноматок, так и хряков. Наиболее подходящим методом генетической оценки животных является метод полногеномного ассоциативного исследования (GWAS).
Проведенные ранее исследования показали, что для отбора наиболее генетически ценных свиноматок часто используют воспроизводственные качества. Генетическая ценность свиноматок зависит от таких признаков воспроизводства, как вес поросят при рождении, мумии (мумифицированные зародыши), количество рожденных хрячков и свиноматок, вес поросят при отъеме, масса гнезда, количество живых и мертвых поросят при рождении и др. В результате ряда других исследований были обнаружены гены, отвечающие за число поросят, родившихся живыми (NBA), гены, связанные с весом помета живорожденных поросят (LWB), а также гены, связанные с общим числом рожденных поросят (TNB).
При помощи линейной смешанной модели (LM) с регрессией отдельных SNP и байесовской смешанной модели (BM), включающей эффекты всех SNP одновременно, используемой в GWAS, были обнаружены значимые ассоциации локусов количественных признаков (QTL), определяющие размеры приплода и смертности поросят. Экспериментально была выявлена взаимосвязь между определенными генами свиней и их продуктивностью.
На сегодняшний день исследования, которые бы изучали напрямую воспроизводительные качества свиноматок породы ландрас, отсутствуют, таким образом, в данной работе этот вопрос был рассмотрен впервые в России.
Цель исследования — изучение генетической архитектуры воспроизводительных качеств свиноматок породы ландрас.
Материал и методы исследования
Данные по воспроизводительным показателям (живорожденные, количество отнятых поросят, мертворожденные, мумии) свиноматок породы ландрас (n = 600) 2021–2022 г. р. были взяты из базы данных программного обеспечения для селекционеров Herdsman.
В качестве материала для молекулярно-генетических исследований использованы пробы ткани (ушные выщипы). Выделение ДНК проведены с помощью наборов для выделения геномной ДНК серии «ДНК-Экстран» (ЗАО «Синтол», Россия) в соответствии с протоколом фирмы-производителя. Полногеномный анализ произведен с использованием ДНК-чипа Porcine GGP HD (платформа GeneSeek Genomic Profiler, Neogene, США), содержащего ~75 тыс. SNP.
Контроль качества и фильтрация данных генотипирования для каждого SNP и каждого образца выполнены с использованием программного пакета PLINK 1.9. Для поиска генов-кандидатов, локализованных в области идентифицированных SNP, был использован геномный ресурс Sscrofa11.1. Функциональные аннотации генов выполнены с привлечением базы данных GeneCards и программы DAVID. Кластеризация полученных генов-кандидатов проведена в программе STRING.
Результаты и обсуждение
После фильтрации данных по свиноматкам породы ландрас (в рамках полногеномного анализа) было получено 45 248 SNP. Признаки воспроизводства были выбраны с точки зрения частоты встречаемости в племенных хозяйствах. Значимые SNP были обнаружены для показателей «живорожденные», «количество отнятых поросят», «мертворожденные», «мумии». Потенциальные значения достоверности (P-value) продемонстрированы на графиках Quantile-Quantile (Q-Q). Манхэттенские графики (рис. 1–4) обнаружили 55 SNP, ассоциированных с признаками «живорожденные», «количество отнятых поросят», «мертворожденные» и «мумии» на SSA1, SSA2, SSA3, SSA4, SSA5, SSA6, SSA7, SSA8, SSA10, SSA12, SSA15 и SSА17 (SSA представляет аутосому Sus scrofa).
Общее количество выявленных полиморфизмов по изучаемым показателям составило 55 SNP, из них 36 — по показателю живорожденных поросят, 6 — по количеству отнятых поросят, 9 — по мертворожденным и 4 — по показателю количества мумифицированных плодов, расположенных на SSA1–SSA8, SSA12, SSA15 и SSA17 (на 11 из 18 SSA).
Обнаружены два SNP, выходящие за порог полногеномной достоверности по признаку «живорожденные», — ASGA0005590 и H3GA0003575, имеющие достоверность р = 8.62 × 10-6 and р = 9.34 × 10-6 соответственно. По признаку «мертворожденные» выявлено также два SNP — ALGA0049192 и DIAS0002802, порог достоверности которых р = 4.14 × 10-7.
По изучаемым показателям воспроизводства были выявлены 82 гена, представленных в таблице 1, на 12 из 18 SSA. Больше всего обнаружено генов на SSA6 (22 гена) на SSA2 (13 генов), наименьшее количество — на SSA4 (1 ген — EYA1).
Разделение генов-кандидатов произошло по двум кластерам со значительным анализом обогащения. В 1-й кластер (рис. 5а) вошли 34 гена-кандидата, функциональная аннотация по биологическому процессу выявила митохондриальный и сопряженный транспорт электронов, синтез АТФ, а также связывание жирных кислот и триптофана. Во 2-й кластер (рис. 5б) вошли 30 узлов с достоверностью обогащения р = 0,00111, связанных с ответом на бактериальную и вирусную инфекцию.
Были идентифицированы гены-кандидаты, связанные с воспроизводительными признаками у свиноматок, используя данные анализа полногеномных ассоциаций (табл. 2). По результатам экспериментальных исследований были выявлены 35 генов-кандидатов, по функциональной принадлежности отнесенных к двум кластерам, из них 20 отнесены к 1-му кластеру, 15 — ко 2-му. К 1-му кластеру были отнесены гены AFF4, IL13, IL4, IRF1, SHROOM1, IL-5, UQCRQ (SSA2), MRPL13 (SSA3), TTR, ENPEP, NOL4, PCDH7, DSG3 (SSA6), RASSF6, ALB, AFP, ANKRD17 (SSA8) и SOX9 (SSA12), общая биологическая функция — митохондриальный и сопряженный транспорт электронов, синтез АТФ, а также связывание жирных кислот и триптофана.
Ген AFF4 (SSA2) (по исследованиям Lin Chengqi) может связывать элонгацию транскрипции с лейкемией. Гены IL-4, рецептор IL-4 (IL4R), IL-13 и IL-5 являются важными иммунными метками и могут влиять на течение различных заболеваний. В исследовании Y. Liu ген IRF1 был выбран в качестве гена-кандидата для оценки влияния на характеристики свиных цитокинов в сыворотке крови. Анализ был проведен на трех породах свиней, включая крупную белую, ландрас и черную свинью сонляо — одну из китайских пород. Результаты показали, что SNP гена IRF1 оказывал высокозначимое влияние на уровень IFN-γ (20–35-й день) в сыворотке (p = 0,0001, p = 0,0001). Ген SHROOM1 принадлежит к семейству SHROOM и в основном участвует в сборке массивов микротрубочек во время удлинения, взаимодействует с F-актином, чтобы обеспечить развитие нейроэпителиальных клеток и регулирует распределение γ-тубулина и архитектуру микротрубочек во время элонгации клеток, а также изменение формы эпителиальных клеток.
Исследования Kai Xing на свиньях породы ландрас по признакам, связанным с отложением жира, выявили, что ген UQCRQ по функциональной аннотации биологической функции отвечает за сокращение сердечной мышцы. Brittney N. Keel в своих исследованиях выявил, что тот же ген был идентифицирован как связанный с приростом массы животных. Данный ген имел одинаковое направление экспрессии во всех пяти органах животных (более низкое количество транскриптов с более высоким приростом). Также он участвует в производстве митохондриальной энергии, в ранее проведенных исследованиях был связан с эффективностью корма. Так, Kong et al. выявили более высокое содержание транскриптов гена UQCRQ в ткани рубца особей с отрицательным значением прогнозируемого остаточного потребления корма (RFI). Результаты исследований Cai Miaomiao показали, что экспрессия гена MRPL13 в тканях рака молочной железы была значительно выше, чем в нормальных тканях.
Десмоглеин 3 (DSG3), еще один ген-кандидат проводимости, был расположен в 0,1 Мб от значимого SNP — DRGA0006706, гена, кодирующего белок, аннотации гена которого указывают на то, что он связан с цитозольными метаболическими процессами и связыванием ионов кальция. Ген TTR связан с признаками роста у человека и мыши. Глутамиламинопептидаза (ENPEP) является членом семейства эндопептидаз M1, которые представляют собой цинксодержащие эндопептидазы интегральной мембраны II типа млекопитающих. Ген ENPEP участвует в катаболическом пути ренин-ангиотензиновой системы с образованием ангиотензина III, который участвует в регуляции артериального давления и формировании кровеносных сосудов. В исследованиях Xiaoping Li (2011) ген NOL4 относится к упитанности свиней. Ген PCDH7 (по исследованиям Antonio Reverter) дифференциально экспрессировался в первичных эпителиальных клетках толстой кишки человека. Исследования Fang Zih-Hua на популяции крупного рогатого скота швицкой породы обнаружили, что ген RASSF6 отвечает за телосложение животного. Исследования Maria Johansson показали, что ген доминантного белого окраса тесно связан с генами альбумина (ALB) на SSA8. Нетипичный фенотип с пятнами белого окраса наблюдался среди F1— и F2-животных. Специфическая экспрессия гена AFP цитозиндезаминазы в печени помогает при ее трансплантации. Экспрессия гена ANKRD17 играет роль в управлении пролиферацией клеток во время регенерации тканей, а также при формировании нескольких типов опухолей.
В исследованиях B. Bertram (2015) ген SOX9 (SSA12)является важным регулятором полового и скелетного развития и экспрессируется в различных эмбриональных тканях, а также у взрослых особей. Monika Stachowiak и др. (2017) выявили, что фрагмент хромосомы у данного гена может приводить к тестикулярному XX-расстройству полового развития (XX DSD, SRY-negative), вызывающему бесплодие, которое довольно часто диагностируется в популяциях свиней. Данное заболевание может повлиять на качество туши (boar taint) из-за наличия тестикулярной ткани у животных с неопределенными наружными гениталиями самки.
Ко 2-му кластеру относятся гены YTHDC2, KIF3A (SSA2), EYA1 (SSA4), DSG2, DSG4, PPIH, RNF125, TRAPPC8 (SSA4), PITX2 (SSA8), KIAA1462, MTPAP, JMJD6 (SSA10), METTL23, SRSF2 и U2AF1 (SSA12).
Phillip J. Hsu в своих исследованиях сообщает, что ген YTHDC2 повышает эффективность трансляции своих мишеней, а также снижает их количество в мРНК. Мыши с нокаутом YTHDC2 бесплодны. Яички у самцов (а у самок — яичники) значительно меньше, чем у однопометников. Зародышевые клетки мышей с нокаутом YTHDC2 не развиваются дальше стадии зиготы, соответственно, данный ген активируется в семенниках с началом мейоза. Таким образом, ген YTHDC2 является m6A-связывающим белком, который играет важную роль во время сперматогенеза. Однонуклеотидные полиморфизмы (SNP) в гене KIF3A (кодирующем члена семейства кинезинов 3A) связаны с атопическим дерматитом и хроническим воспалительным заболеванием кожи людей.
Следующий ген — EYA1 (SSA4) — отвечает за развитие поперечно-полосатой мышечной ткани, морфогенез аорты, морфогенез уха, морфогенез наружного уха, морфогенез среднего уха, регуляцию дифференцировки нейронов, морфогенез эмбриональной скелетной системы, слуховых пузырьков, развитие анатомической структуры и глоточной системы. Так, проведенные исследования Ming Qin et al (2019) между тремя породами свиней выявили, что ген EYA1 отвечает за развитие поперечно-полосатой мышечной ткани. Исследования Suad Hamdan Almasoudi (2021) выявили важность данного гена в эмбриональном периоде развития организма, в исследованиях Jan Berghöfer (2022) EYA1 был идентифицирован как еще один интересный кандидат на развитие наружного уха у вислоухих свиней. В более ранних исследованиях ген EYA1 играл роль в развитии уха у мышей и связан с бранхио-ото-ренальным (БОР) синдромом у людей, аутосомно-доминантным дефектом раннего развития, характеризующимся различными комбинациями бронхиального, наружного, среднего и внутреннего уха и почечных аномалий.
Ген Desmoglein 2 (DSG2) более выражен в процессе анатомического развития и прогнозируется у животных с пупочной грыжей. Более того, ген DSG2 экспрессируется во многих тканях и участвует в связывании кальция и клеточной адгезии. Мутация гена DSG4 может привести к истончению и атрофии волосяных фолликулов и стержней волос, которые часто скручиваются внутри кожи из-за их неспособности проникать в эпидермис. Ген PPIH отвечает за возраст полового созревания. За среднесуточный прирост у свиней (по исследованиям Jenelle R. Dunkelberger) выявлен ген-кандидат белка безымянного пальца 125 (RNF125), который является негативным регулятором сигнального пути RIG-1-подобного рецептора.
Ген TRAPPC8 участвует в везикулярном транспорте у млекопитающих. Некоторые исследования показали, что полиморфизм гена PITX2 связан с качеством свинины. Ген KIAA1462 расположен на SSA10, идентифицирован в областях QTL и содержит SNP, связанные с отложением жира у свиней.
Ген MTPAP (митохондриальная поли(А) полимераза), также называемый PAPD1 (или TUTase1), представляет собой кодируемую ядром митохондриальную полимеразу, которая необходима для полиаденилирования и стабилизации мРНК митохондрий млекопитающих. Факторы транскрипции C/EBPβ повышают экспрессию гена MTPAP путем анализа серии репортерных конструкций промотора MTPAP с использованием системы анализа с двойной люциферазой. Данная ситуация указывает на то, что ген MTPAP может играть критическую роль в регуляции отложения жира, что обеспечивает важную основу для дальнейшего понимания регуляции и функции гена MTPAP у свиней.
Белок 6, содержащий домен Jumonji (ген JMJD6), представляет собой негемовую Fe(II) 2-оксоглутарат (2OG)-зависимую оксигеназу с активностью аргининдеметилазы и лизилгидроксилазы. Он связан с различными патологическими процессами (в частности, в онкогенезе и вирусологических взаимодействиях). Метилтрансферазоподобный 23 (METTL23) имеет отдаленную гомологию с протеин-аргининметилтрансферазами и катализирует асимметричное диметилирование гистона H3R17 в мышиных ооцитах. Исследование Pan Yang на людях впервые описывает связь гена METTL23 с глаукомой глаз.
GO-анализ гена SRSF2 выявил важные физиологические функции клеток, такие как негативная регуляция апоптотического процесса и позитивная регуляция процесса катаболизма белка. Выявлено, что он тесно связан с типичными функциями каждой ткани. Например, нейропептидный сигнальный путь был выделен в головном мозге, сокращение миокарда — в сердце, а развитие скелетных мышц и сокращение — в мышечной ткани.
Theresa Okeyo-Owuor и др. обнаружили в данных секвенирования РНК доказательства сниженной аффинности (термодинамическая характеристика) гена U2AF1 (S34F) к уридину (по сравнению с цитидином) в положении e-3 непосредственно перед акцепторным сайтом сплайсинга и подтвердили этот вывод с помощью анализов аффинного связывания. Эти данные свидетельствуют о том, что мутация S34F изменяет функцию гена U2AF1 в контексте специфических последовательностей РНК, что приводит к аберрантному альтернативному сплайсингу генов-мишеней, некоторые из которых могут иметь отношение к патогенезу миелодиспластического синдрома de novo (МДС).
Выводы
По результатам функциональной аннотации были выявлены 35 генов-кандидатов, из них 20 генов относятся к 1-му кластеру, 15 — ко 2-му. Многие выявленные гены имеют самостоятельную структуру, отвечают за злокачественные новообразования, доминантный окрас белого волосяного покрова, хозяйственно полезные признаки и качество мяса (например, влияние разных генотипов на сочность мяса). Так, ген AFF4 (SSA2) отвечает за более качественное развитие сперматид, влияя, таким образом, на оплодотворяемость и выход приплода. Гены IL13, IL4, IRF1 (SSA2)отвечают за иммунную систему в организме. Гены UQCRQ (SSA2), JMJD6, SOX9 (SSA12) участвуют в развитии и функционале сердца, при этом ген SOX9 также отвечает за развитие скелетной системы, развитие волосяного фолликула, молочной железы и хрящей. За прогнозирование опухолей и раковых образований всевозможной физиологии соответствуют гены YTHDC2 (SSA2), MRPL13 (SSA3), SRSF2 и U2AF1(SSA12). Гены, связанные с жировой тканью, — NOL4 (SSA6), RASSF6, PCDH7 (SSA8), с ростом и упитанностью — TTR (SSA6) и KIAA1462 (SSA10). Остальные гены-кандидаты отвечают за такие функции, как оплодотворение яйцеклеток (KIF3A, SSA2), развитие поперечно-полосатой мышечной ткани, морфогенез аорты, морфогенез уха, морфогенез наружного уха, морфогенез среднего уха, регуляция дифференцировки нейронов, морфогенез эмбриональной скелетной системы, развитие анатомической структуры, развитие глоточной системы, морфогенез слуховых пузырьков (EYA1, SSA4), возраст полового созревания (PPIH, SSA2), доминантный белый окрас (ALB, SSA8), расстройство нервной системы (METTL23, SSA12).
Приведенные данные по каждому выявленному гену-кандидату, их биологической направленности и экспрессии позволят в дальнейшем провести массовый скрининг по свиньям исследуемой породы и дадут возможность включения их мутаций в генетический анализ вида.
Об авторах
Анна Александровна Белоус, кандидат биологических наук, лаборатория генетических технологий в агро- и аквахозяйстве, Федеральный исследовательский центр животноводства — ВИЖ им. академика Л.К. Эрнста, Московская обл., г. о. Подольск, пос. Дубровицы, 60, 142132, Россия
belousa663@gmail.com; https://orcid.org/0000-0001-7533-4281
Валерия Владимировна Волкова, кандидат биологических наук,лаборатория функциональной и эволюционной геномики животных;Федеральный исследовательский центр животноводства — ВИЖ им. академика Л.К. Эрнста, Московская обл., г. о. Подольск, пос. Дубровицы, 60, 142132, Россия
moonlit-elf@mail.ru; https://orcid.org/0000-0002-2080-0182
Анастасия Александровна Решетникова, лаборант,лаборатория генетических технологий в агро- и аквахозяйстве, Федеральный исследовательский центр животноводства — ВИЖ им. академика Л.К. Эрнста, Московская обл., г. о. Подольск, пос. Дубровицы, 60, 142132, Россия
reshetnikova.aa@yandex.ru; https://orcid.org/0000-0002-4874-2615
Петр Ильич Отраднов, лаборант, лаборатория генетических технологий в агро- и аквахозяйстве, отдел популяционной генетики и генетических основ разведения животных, Федеральный исследовательский центр животноводства — ВИЖ им. академика Л.К. Эрнста, Московская обл., г. о. Подольск, пос. Дубровицы, 60, 142132, Россия
deriteronard@gmail.com; https://orcid.org/0000-0002-1153-5815
Наталия Анатольевна Зиновьева, доктор биологических наук, академик РАН, профессор, директор, Федеральный исследовательский центр животноводства — ВИЖ им. академика Л.К. Эрнста, Московская обл., г. о. Подольск, пос. Дубровицы, 60, 142132, Россия
priemnaya-vij@mail.ru; orcid.org/0000-0003-4017-6863
УДК 636.4.033/ 636.082.2 DOI: 10.32634/0869-8155-2023-372-7-31-39
Сельское хозяйство, ветеринария, зоотехния, агрономия, агроинженерия, пищевые технологии
