Аллельное разнообразие бета- и каппа-казеинов крупного рогатого скота голштинской породы
Молоко и молочные продукты оказывают существенное влияние на здоровье человека, поэтому ученые постоянно изучают их состав, влияние на организм и способы увеличения производства. Белки молока содержат незаменимые аминокислоты, лучше усваиваются организмом и как следствие, играют важную роль в питании человека.
Исследования вариантов молочных белков у молочного скота ведутся с середины прошлого века, за это время было обнаружено и изучено их влияние на свойства молока. Ученые определили шесть фракций молочных белков, встречающихся в различных генетических вариациях.
Содержание и состав белка в молоке важны для производителей сыра, так как это основной фактор, определяющий выход и качество конечного продукта. Исследования молока отдельных коров голштино-фризской породы показали, что общее содержание белка в молоке может варьироваться от 2,8 до 4,6 %, а казеин составляет 68–84% от общей доли белка.
Белки молока делятся на две группы — казеины и сывороточные белки.
Казеины являются наиболее важным и ценным компонентом молока. Они обеспечивают текстурные, сенсорные и питательные свойства основных молочных продуктов, таких как молоко, сыр и йогурт.
Казеин состоит из нескольких фракций: αs1-, αs2-, β- и κ-казеины, среднее содержание которых 40%, 10%, 38% и 12% соответственно. Основной компонент казеинов — α-казеин (альфа-казеин), который отвечает за формирование казеиновых мицелл, сохранение структуры и питательных свойств молока. β-казеин (бета-казеин) влияет на структуру, текстуру и вкусовые качества молока, κ-казеины (каппа-казеин) играет ключевую роль в производстве сыра и творога.
Согласно исследованиям, β-казеин является одним из основных компонентов казеиновых мицелл, его менее отрицательно заряженный аллельный вариант В может способствовать агрегации мицелл благодаря снижению отталкивания между ними во время фазы свертывания. Кроме того, употребление молока, содержащего исключительно β-казеин А2А2, показало заметное снижение проблем, связанных с непереносимостью со стороны желудочно-кишечного тракта, а также улучшение когнитивных функций.
Аллельные варианты β-казеина A1 и B являются прекурсорами биоактивного пептида β-казоморфина-7, который был определен исследователями как фактор риска увеличения заболеваемости ишемической болезнью сердца и диабетом 1-го типа.
Различие в двух основных аллелях β-казеина обусловлено однонуклеотидным полиморфизмом (SNP) на кодоне 67-м в 7-м экзоне гена бета-казеина. Считается, что SNP67 возникает в результате естественной мутации, при которой цитозин (аллель A2: CCT, пролин) замещается на аденин (аллель A1: CAT, гистидин).
Исследования, проведенные отечественными и зарубежными учеными, изучавшими полиморфизм молочных белков, показали, что сыропригодность молока частично определяется генотипом коров по κ-казеину, который играет ключевую роль в стабилизации казеиновых мицелл и предотвращении их коагуляции. Он важен для производства сыра, так как способствует образованию сгустка при добавлении сычужного фермента. В связи с этим κ-казеин сегодня вызывает особый интерес исследователей.
Ген CSN3, контролирующий образование κ-казеина в молоке, имеет 16 аллельных вариантов, из которых у коров молочного направления выделены два наиболее часто встречающихся (A и B) в трех различных сочетаниях AB, AA, BB.
Аллель А ассоциируется исследователями с более высокой молочной продуктивностью, а аллель В — с более высоким содержанием белка в молоке, лучшими коагуляционными свойствами и большим выходом твердых и полутвердых сыров. Внутри гена CSN3 влияющими на молочную продуктивность заменами являются rs43703015 (g.88532296C > T, Thr136Ile), rs43703016 (g.88532332A > C, Asp148Ala).
Генотип B определяет однонуклеотидная замена rs43703015. Данная замена связана с повышением содержания жира и лактозы и уменьшением остальных белковых показателей. При этом аллель А по замене rs43703015 увеличивает время сычужной коагуляции белков и уменьшает показатель плотности творожного сгустка спустя 30 мин. после добавления фермента, а значит, отрицательно влияет на коагуляционные свойства молока.
В России проведенные исследования аллельных вариантов β-казеина показывают преобладание генотипов A1A2 с большей частотой встречаемости аллеля А1. У животных из Тверской области носители генотипа А1А2 составили 52%, генотипа A1A1 — 30%, наименьшим оказалось количество животных с генотипом A2A2 — 18%; частота встречаемости аллелей составила: для А1 — 0,56, для А2 — 0,44.
В работе отмечается частота мутантного А1 аллеля — 0,52, а нормального — 0,48 в Республике Ингушетия. В Республике Башкортостан животные с генотипом А1А1 составили 85% проанализированного поголовья, с генотипом А1А2 — 12%, гомозиготы А2А2 оказались в меньшинстве — 3%. Частоты встречаемости аллелей: A1 — 0,91, А2 — 0,09.
Исследования, посвященные определению генотипов по каппа-казеину, показывают достаточно небольшую частоту встречаемости особей с генотипом BB: менее 0,058, 0,08, 0,04–0,094 — в Самарской области, 0,16, 0,22, 0,28 — в Псковской области, 0,038 — в одном из хозяйств Свердловской области. В Костромской области, однако, генотип CSN3 BB встречается значительно чаще: 0,844 — у коров костромской породы, 0,6 — у коров черно-пестрой породы.
Генотип особи по генам β- и κ-казеина напрямую оказывает влияние на качество молока и его пригодность к технологической переработке.
Цели данной работы — исследование аллельного разнообразия и распространенность различных генотипов по β- и κ-казеину крупного рогатого скота на территории Свердловской области.
Материалы и методы исследования
Исследования проводили в пяти племенных организациях по разведению крупного рогатого скота голштинской породы в Свердловской области Российской Федерации. Всего для исследования были отобраны 613 образцов от коров маточного поголовья 2018–2022 гг. рождения (483 образца из закрытой геномной базы ФГБОУ ВО «Уральский ГАУ) и 130 образцов, генотипированных в 2024 году).
Для генотипирования отбирали кровь из подхвостовой вены в вакуумные пробирки для гематологических исследований с К3 ЭДТА («Эйлитон», Россия).
ДНК выделяли с помощью набора «ДНК-Экстран-1» (ООО «Синтол», Россия) в соответствии с инструкцией к набору.
Генотипирование проводили на ДНК-чипах GGP Bovine 150K (Illumina, США) в Центре коллективного пользования научным оборудованием «Биоресурсы и биоинженерия сельскохозяйственных животных» на базе ФГБНУ «Федеральный исследовательский центр животноводства — ВИЖ им. академика Л.К. Эрнста» (Россия) и на ДНК-чипах Bovine 50K (Illumina, США) в ООО «Мираторг» (Россия) с последующей биоинформатической обработкой данных авторами.
Эксперимент проводили с соблюдением требований, изложенных в Директиве Европейского парламента и Совета Европейского союза от 22 сентября 2010 года № 2010/63/ЕС о защите животных, использующихся для научных целей, и принципов обращения с животными, согласно статье 4 ФЗ РФ № 498-ФЗ.
Полученные данные обрабатывали с помощью пакета Microsoft Office Excel (США). Рассчитывали частоту встречаемости аллелей для оценки отклонения от закона Харди — Вайнберга с помощью критерия согласия Пирсона или Хи-квадрат, функция ХИ2ТЕСТ.
Результаты и обсуждение
В результате генотипирования удалось определить генотипы бета-казеина у 523 коров, каппа-казеина — у 607.
У 150 и 66 животных генотипы по бета-казеину и каппа-казеину, соответственно, достоверно определить не удалось из-за отсутствия достаточного количества информативных однонуклеотидных полиморфизмов. В связи с этим в результате отбора для анализа были оставлены 507 образцов, у которых удалось достоверно определить генотипы как по β-казеину, так и по κ-казеину.
К настоящему времени исследователями были отмечены 15 генетических вариантов кодирующих областей β-казеина, которые были названы в соответствии с порядком обнаружения: A1, A2, A3, B, C, D, E, F, G, H1, H2, I, J, K, L.
Все варианты β-казеина характеризуются наличием 1–3 аминокислотных замен в разных позициях, но в целом их можно разделить на два типа бета-казеина — A2 (10 вариантов) и A1 (5 вариантов) в зависимости от присутствия пролина или гистидина в позиции 67-й белковой последовательности.
В результате генотипирования в проанализированных образцах были обнаружены 10 вариантов генотипов β-казеина и 6 различных аллелей. Самыми распространенными оказались генотипы: A1A2 — 222 особи, частота встречаемости генотипа составила 0,438; A2A2 — 157 особей с частотой встречаемости генотипа 0,310; A1A1 — 77 особей с частотой встречаемости генотипа 0,152 (табл. 1).
В общей сложности три этих генотипа были обнаружены у 90% проанализированных животных. Соответственно, оставшиеся 10 включают генотипы А1В, А1F, А1I, А2А3, А2В, А2F и А2I.
Частотность аллелей составила для: A1 — 0,391; A2 — 0,559; A3 — 0,001; B — 0,014; F — 0,003; I — 0,033. В соответствии с критерием хи-квадрат популяция значимо не отличается от равновесия Харди — Вайнберга.
Для гена CSN3 на сегодняшний день исследователям известны 13 аллельных вариантов, при этом в работе указывается, что из-за принадлежности вариантов B, B2, C и J к группе B небольшие различия в аллельном составе между ними часто игнорируются, образец определяется как вариант B на основе совпадения двух аллелей без дополнительного анализа других маркеров.
Согласно полученным в результате генотипирования данным, на территории Свердловской области были выявлены шесть генотипов κ-казеина и три аллельных варианта. Наиболее распространенными среди них оказались: АА — 161, АВ — 154, АЕ — 108 особей соответственно (табл. 2), составляющие суммарно 83,5% исследованного поголовья.
С желательным генотипом BB, ассоциированным с пригодностью молока к переработке, выявлены 37 коров (7,3% проанализированного поголовья). Наименее распространены генотипы BE и EE — 32 (6,3%) и 15 (3%) особей соответственно.
Частота встречаемости аллелей составила для: А — 0,576; В — 0,256; Е — 0,168. По критерию хи-квадрат популяция значимо не отличается от равновесия Харди— Вайнберга. Это означает, что при отсутствии селекции, направленной на получение животных с желаемым генотипом κ-казеина ВВ, его распространенность в поголовье останется в пределах 10%.
Результаты исследования β- и κ-казеина в Свердловской области в целом аналогичны результатам, полученным в других регионах России. Генотипы бета-казеина А1А2 и А1А1 встречаются значительно чаще, а аллель А1 имеет наибольшую распространёенность (от 0,52 до 0,91). Наиболее распространенные генотипы каппа-казеина — АА и АВ с наибольшей частотой встречаемости аллеля А в гене CSN3, что может быть связано с направленностью селекции на повышение удоев и ассоциацией аллельного варианта А с высокой молочной продуктивностью.
Выводы
В данной работе были изучены распространенность генотипов и аллельное разнообразие β- и κ- казеина на территории Свердловской области. Наиболее распространенными генотипами β-казеина среди коров из пяти племенных организаций оказались A1A2, A2A2 и А1А1, что объясняется формированием в одном хозяйстве, имеющем цех переработки молока, группу животных для получения гипоаллергенного молока с брендом А2 (суммарно составляющих 90% от всех проанализированных особей). При этом наиболее часто встречающимися аллелями оказались A1 и A2, частота встречаемости аллелей A3, B, F и I суммарно составила 0,05.
Среди шести обнаруженных у проанализированной популяции генотипов κ-казеина генотипы АВ, АА и АЕ были выявлены у 83% животных, наибольшей частотой встречаемости обладает аллель А — 0,576, частоты встречаемости аллелей В и Е составили 0,256 и 0,168 соответственно.
Данные результаты согласуются с результатами других исследователей на территории Российской Федерации, что означает необходимость внедрения геномной селекции для получения коров, молоко которых будет наиболее оптимальным для переработки.
Проведение генотипирования коров в хозяйствах может быть полезно при формировании целевых стад, производящих «питьевое» молоко (аллели A, A1, A2 и т. д.) и молоко, пригодное для переработки (аллель B).
Об авторах
Полина Сергеевна Богатова, аспирант, младший научный сотрудник лаборатории молекулярных и биологических исследований
ogatova.p.s@gmail.com https://orcid.org/0000-0002-6584-2394
Георгий Александрович Лиходеевский, аспирант, младший научный сотрудник лаборатории молекулярных и биологических исследований
georglihodey@gmail.com https://orcid.org/0000-0003-2616-2166
Оксана Евгеньевна Лиходеевская, кандидат биологических наук, доцент, заведующая лабораторией молекулярных и биологических исследований
lixodeevskaya@mail.ru https://orcid.org/0000-0002-5976-6030
Ольга Геннадьевна Лоретц, доктор биологических наук, профессор кафедры биотехнологии и продуктов питания
olga-loretts@yandex.ru https://orcid.org/0000-0002-5144-8409
Александра Сергеевна Зулаева, преподаватель кафедры зооинженерии
zulaeva.a@mail.ru https://orcid.org/0009-0002-7579-248X
Уральский государственный аграрный университет, ул. им. Карла Либкнехта, 42, Екатеринбург, 620075, Россия
УДК 636.082.25+636.234.1
DOI: 10.32634/0869-8155-2025-393-04-101-107
