Сравнительный анализ частот ДНК-полиморфизмов, ассоциированных с заболеваниями и хозяйственно важными признаками, в геномах российских и зарубежных пород крупного рогатого скота
https://doi.org/10.18699/VJGB-22-28
Аннотация
Генетический состав породы и ее генетические отличия от других пород определяют ее облик и характерные особенности, включая экономически важные признаки и встречаемость патологий. К настоящему времени выявлено множество локусов, контролирующих наиболее значимые фенотипы, что успешно используется в мировой практике для маркер-ассоциированной селекции в целях улучшения свойств пород. В настоящей работе проведен сравнительный анализ частот известных каузативных нуклеотидных замен, вставок и делеций, связанных с заболеваниями и хозяйственно ценными признаками, в российских и зарубежных породах крупного рогатого скота. Выявлены частоты вышеуказанных ДНК-полиморфизмов в популяциях российских пород крупного рогатого скота, выполнено их сравнение с частотами в зарубежных популяциях для пород, разводимых в Российской Федерации, а также с другими зарубежными породами. Наши результаты показывают схожесть частот большинства аллелей внутри пород (российского или зарубежного разведения), а также связь между представленностью аллелей исследуемых полиморфизмов и наличием определяемых ими фенотипических признаков. Были найдены и превышения по частотам ряда нежелательных аллелей в российских популяциях крупного рогатого скота, на которые стоит обратить внимание при селекционной работе с породами. Обнаружено, что аллели, отвечающие за повышенную фертильность породы герефорд, имеют повышенную частоту в популяциях российского разведения по сравнению с зарубежными популяциями. Интересно, что для азиатских турано-монгольских вагю и якутского скота наблюдалась меньшая связь между фенотипическими признаками и частотами известных каузативных аллелей по сравнению с европейскими породами. Наша работа указывает на конкретные генетические варианты, которые могут быть использованы для улучшения и/или поддержания качеств ряда пород крупного рогатого скота, разводимых в Российской Федерации.
Ключевые слова
Об авторах
А. В. ИгошинРоссия
Новосибирск
Г. А. Ромашов
Россия
Новосибирск
Е. Н. Черняева
Россия
Москва
Н. П. Елаткин
Россия
Москва
Н. С. Юдин
Россия
Новосибирск
Д. М. Ларкин
Великобритания
Лондон
Список литературы
1. Abd El-Hack M.E., Abdelnour S.A., Swelum A.A., Arif M. The application of gene marker-assisted selection and proteomics for the best meat quality criteria and body measurements in Qinchuan cattle breed. Mol. Biol. Rep. 2018;45(5):1445-1456. DOI 10.1007/s11033-018-4211-y.
2. Afanasyeva A.I., Knyazev S.S., Lotz K.N. Reproductive capacity of Hereford beef cattle of Siberian and Finnish breeding under the conditions of the Altai region. Vestnik Altayskogo Gosudarstvennogo Agrarnogo Universiteta = Bulletin of the Altai State Agricultural University. 2015;8(130):86-89. (in Russian)
3. Beever J.E., Marron B.M., Parnell P.F., Teseling C.F., Steffen D.J., Denholm L.J. Developmental Duplications (DD): 1. Elucidation of the underlying molecular genetic basis of polymelia phenotypes in Angus cattle. In: Proc. XXVIII World Buiatrics Congress. Cairns, 2014.
4. Bourque G., Burns K.H., Gehring M., Gorbunova V., Seluanov A., Hammell M., Imbeault M., Izsvák Z., Levin H.L., Macfarlan T.S., Mager D.L., Feschotte C. Ten things you should know about transposable elements. Genome Biol. 2018;19:199. DOI 10.1186/s13059-018-1577-z.
5. Buggiotti L., Yurchenko A.A., Yudin N.S., Vander Jagt C.J., Vorobieva N.V., Kusliy M.A., Vasiliev S.K., Rodionov A.N., Boronetskaya O.I., Zinovieva N.A., Graphodatsky A.S., Daetwyler H.D., Larkin D.M. Demographic history, adaptation, and NRAP convergent evolution at amino acid residue 100 in the world northernmost cattle from Siberia. Mol. Biol. Evol. 2021;38(8):3093-3110. DOI 10.1093/molbev/msab078.
6. Ciepłoch A., Rutkowska K., Oprzkadek J., Poławska E. Genetic disorders in beef cattle: a review. Genes Genomics. 2017;39(5):461-471. DOI 10.1007/s13258-017-0525-8.
7. Curi R.A., de Oliveira H.N., Gimenes M.A., Silveira A.C., Lopes C.R. Effects of CSN3 and LGB gene polymorphisms on production traits in beef cattle. Genet. Mol. Biol. 2005;28(2):262-266. DOI 10.1590/S1415-47572005000200015.
8. Fasquelle C., Sartelet A., Li W., Dive M., Tamma N., Michaux C., Druet T., Huijbers I.J., Isacke C.M., Coppieters W., Georges M., Charlier C. Balancing selection of a frame-shift mutation in the MRC2 gene accounts for the outbreak of the Crooked Tail Syndrome in Belgian Blue Cattle. PLoS Genet. 2009;5(9):e1000666. DOI 10.1371/journal.pgen.1000666.
9. Fontanesi L., Scotti E., Russo V. Haplotype variability in the bovine MITF gene and association with piebaldism in Holstein and Simmental cattle breeds. Anim. Genet. 2012;43(3):250-256. DOI 10.1111/j.1365-2052.2011.02242.x.
10. Fornara M.S., Kostyunina O.V., Filipchenko A.A., Sermyagin A.A., Zinovyeva N.A. Polymorphism determination system of gene SUGT1 associated with Fleckvieh fertility haplotype FH4. Veterinariya, Zootekhniya i Biotekhnologiya = Veterinary Medicine, Zootechnics and Biotechnology. 2019;3:92-97. DOI 10.26155/vet.zoo.bio.201903015. (in Russian)
11. Gwazdauskas F.C. Effects of climate on reproduction in cattle. J. Dairy Sci. 1985;68(6):1568-1578. DOI 10.3168/jds.S0022-0302(85)80995-4.
12. Hayes B.J., Daetwyler H.D. 1000 Bull Genomes Project to map simple and complex genetic traits in cattle: applications and outcomes. Annu. Rev. Anim. Biosci. 2019;7:89-102. DOI 10.1146/annurev-animal-020518-115024.
13. Hirano T., Kobayashi N., Matsuhashi T., Watanabe D., Watanabe T., Takasuga A., Sugimoto M., Sugimoto Y. Mapping and exome sequencing identifies a mutation in the IARS gene as the cause of hereditary perinatal weak calf syndrome. PLoS One. 2013;8(5):e64036. DOI 10.1371/journal.pone.0064036.
14. Hirano T., Matsuhashi T., Takeda K., Hara H., Kobayashi N., Kita K., Sugimoto Y., Hanzawa K. IARS mutation causes prenatal death in Japanese Black cattle. Anim. Sci. J. 2016;87(9):1178-1181. DOI 10.1111/asj.12639.
15. Hohmann L.G., Weimann C., Scheper C., Erhardt G., König S. Associations between maternal milk protein genotypes with preweaning calf growth traits in beef cattle. J. Anim. Sci. 2020;98(10):skaa280. DOI 10.1093/jas/skaa280.
16. Ibeagha-Awemu E.M., Kgwatalala P., Ibeagha A.E., Zhao X. A critical analysis of disease-associated DNA polymorphisms in the genes of cattle, goat, sheep, and pig. Mamm. Genome. 2008;19(4):226-245. DOI 10.1007/s00335-008-9101-5.
17. Jianqin S., Leiming X., Lu X., Yelland G.W., Ni J., Clarke A.J. Effects of milk containing only A2 beta casein versus milk containing both A1 and A2 beta casein proteins on gastrointestinal physiology, symptoms of discomfort, and cognitive behavior of people with self-reported intolerance to traditional cows’ milk. Nutr. J. 2016;15:35. DOI 10.1186/s12937-016-0147-z.
18. Johnson E.B., Steffen D.J., Lynch K.W., Herz J. Defective splicing of Megf7/Lrp4, a regulator of distal limb development, in autosomal recessive mulefoot disease. Genomics. 2006;88(5):600-609. DOI 10.1016/j.ygeno.2006.08.005.
19. Klungland H., Våge D.I., Gomez-Raya L., Adalsteinsson S., Lien S. The role of melanocyte-stimulating hormone (MSH) receptor in bovine coat color determination. Mamm. Genome. 1995;6(9):636-639. DOI 10.1007/BF00352371.
20. Kuhn R.M., Haussler D., Kent W.J. The UCSC genome browser and associated tools. Brief. Bioinform. 2013;14(2):144-161. DOI 10.1093/bib/bbs038.
21. Kunieda M., Tsuji T., Abbasi A.R., Khalaj M., Ikeda M., Miyadera K., Ogawa H., Kunieda T. An insertion mutation of the bovine F11 gene is responsible for factor XI deficiency in Japanese black cattle. Mamm. Genome. 2005;16(5):383-389. DOI 10.1007/s00335-004-2462-5.
22. Larkin D.M., Yudin N.S. The genomes and history of domestic animals. Molecular Genetics, Microbiology and Virology. 2016;31(4):197-202. DOI 10.3103/S0891416816040054.
23. Lenffer J., Nicholas F.W., Castle K., Rao A., Gregory S., Poidinger M., Mailman M.D., Ranganathan S. OMIA (Online Mendelian Inheritance in Animals): an enhanced platform and integration into the Entrez search interface at NCBI. Nucleic Acids Res. 2006;34(1):D599-D601. DOI 10.1093/nar/gkj152.
24. Li H. Tabix: fast retrieval of sequence features from generic TABdelimited files. Bioinformatics. 2011;27(5):718-719. DOI 10.1093/bioinformatics/btq671.
25. Li H., Durbin R. Fast and accurate short read alignment with BurrowsWheeler transform. Bioinformatics. 2009;25(14):1754-1760. DOI 10.1093/bioinformatics/btp324.
26. Li H., Handsaker B., Wysoker A., Fennell T., Ruan J., Homer N., Marth G., Abecasis G., Durbin R. The Sequence Alignment/Map format and SAMtools. Bioinformatics. 2009;25(16):2078-2079. DOI 10.1093/bioinformatics/btp352.
27. Liu G.E., Bickhart D.M. Copy number variation in the cattle genome. Funct. Integr. Genomics. 2012;12(4):609-624. DOI 10.1007/s10142-012-0289-9.
28. McClure M., McClure J. Genetic Disease and Trait Information for IDB Genotyped Animals in Ireland. Bandon: Irish Cattle Breeding Federation, 2016.
29. McKenna A., Hanna M., Banks E., Sivachenko A., Cibulskis K., Kernytsky A., Garimella K., Altshuler D., Gabriel S., Daly M., DePristo M.A. The Genome Analysis Toolkit: a MapReduce framework for analyzing next-generation DNA sequencing data. Genome Res. 2010;20(9):1297-1303. DOI 10.1101/gr.107524.110.
30. Mee J.F. Investigation of bovine abortion and stillbirth/perinatal mortality – similar diagnostic challenges, different approaches. Ir. Vet. J. 2020;73:20. DOI 10.1186/s13620-020-00172-0.
31. Mullen M.P., Berry D.P., Howard D.J., Diskin M.G., Lynch C.O., Berkowicz E.W., Magee D.A., MacHugh D.E., Waters S.M. Associations between novel single nucleotide polymorphisms in the Bos taurus growth hormone gene and performance traits in Holstein-Friesian dairy cattle. J. Dairy Sci. 2010;93(12):5959-5969. DOI 10.3168/jds.2010-3385.
32. Notter D.R. The importance of genetic diversity in livestock populations of the future. J. Anim. Sci. 1999;77(1):61-69. DOI 10.2527/1999.77161x.
33. Ohba Y., Takasu M., Nishii N., Takeda E., Maeda S., Kunieda T., Kitagawa H. Pedigree analysis of factor XI deficiency in Japanese black cattle. J. Vet. Med. Sci. 2008;70(3):297-299. DOI 10.1292/jvms.70.297.
34. Pighetti G.M., Elliott A.A. Gene polymorphisms: the keys for marker assisted selection and unraveling core regulatory pathways for mastitis resistance. J. Mammary Gland Biol. Neoplasia. 2011;16(4):421-432. DOI 10.1007/s10911-011-9238-9.
35. Purcell S., Neale B., Todd-Brown K., Thomas L., Ferreira M.A.R., Bender D., Maller J., Sklar P., de Bakker P.I.W., Daly M.J., Sham P.C. PLINK: a tool set for whole-genome association and populationbased linkage analyses. Am. J. Hum. Genet. 2007;81(3):559-575. DOI 10.1086/519795.
36. Raina V.S., Kour A., Chakravarty A.K., Vohra V. Marker-assisted selection vis-à-vis bull fertility: coming full circle – a review. Mol. Biol. Rep. 2020;47(11):9123-9133. DOI 10.1007/s11033-020-05919-0.
37. Romanenkova O.V., Gladyr E.A., Kostyunina O.V., Zinovieva N.A. Development of test system for diagnostics of cattle fertility haplotype HH3 associated with early embryonic mortality. Dostizheniya Nauki i Tekhniki APK = Achievements of Science and Technology of AIC. 2015;29(11):91-94. (in Russian)
38. Romanenkova O.V., Gladyr E.A., Kostyunina O.V., Zinovieva N.A. Screening of cattle for the presence of mutation in APAF1 gene, which is associated with fertility haplotype HH1. Dostizheniya Nauki i Tekhniki APK = Achievements of Science and Technology of AIC. 2016;30(2):94-97. (in Russian)
39. Romanenkova O.S., Volkova V.V., Kostyunina O.V., Zinovieva N.A. Diagnostics of HH5 haplotype for Russian Holstein and Black-and-White cattle population. Molochnoe i Myasnoe Skotovodstvo = Dairy and Beef Cattle Breeding. 2018;6:13-15. DOI 10.25632/MMS.2018.2018.20295. (in Russian)
40. Sabetova K.D., Podrechneva I.Yu., Belokurov S.G., Schegolev P.O., Kofiadi I.A. Test system for BLAD mutation diagnosis in cattle populations. Russ. J. Genet. 2021;57(8):936-941. DOI 10.1134/S1022795421080135.
41. Sebastiani C., Arcangeli C., Ciullo M., Torricelli M., Cinti G., Fisichella S., Biagetti M. Frequencies evaluation of β-casein gene polymorphisms in dairy cows reared in Central Italy. Animals (Basel). 2020;10(2):252. DOI 10.3390/ani10020252.
42. Storey J.D., Bass A.J., Dabney A., Robinson D. qvalue: Q-value estimation for false discovery rate control. R Packag. version 2.24.0. 2020. DOI 10.18129/B9.bioc.qvalue.
43. Storey J.D., Tibshirani R. Statistical significance for genome-wide experiments. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2003;100(16):9440-9445. DOI 10.1073/pnas.1530509100.
44. Surzhikova E.S., Sharko G.N., Mikhailenko T.N. Allelic spectrum of CSN3, PIT-1, PRL genes in horned cattle of Black-and-White breed. Novosti Nauki v APK = Science News of AIC. 2019;3:136-139. DOI 10.25930/2218-855X/032.3.12.2019. (in Russian)
45. Tambasco D.D., Paz C.C.P., Tambasco-Studart M., Pereira A.P., Alencar M.M., Freitas A.R., Coutinho L.L., Packer I.U., Regitano L.C.A. Candidate genes for growth traits in beef cattle crosses Bos taurus × Bos indicus. J. Anim. Breed. Genet. 2003;120(1):51-56. DOI 10.1046/j.1439-0388.2003.00371.x.
46. Tatum J.D. Pre-Harvest Cattle Management Practices for Enhancing Beef Tenderness. Colorado State Univ., 2006.
47. Terletskiy V.P., Buralkhiyev B.A., Usenbekov Y.S., Yelubayeva M., Tyshchenko V.I., Beyshova I.S. Screening for mutations that determine the development of hereditary diseases in breeding cattle. Aktual’nye Voprosy Veterinarnoi Biologii = Actual Questions of Veterinary Biology. 2016;3:3-7. (in Russian)
48. Usova T.P., Usmanova N.N., Litvina N.I., Usov N.V. The spread of BLAD-syndrome of breeding bulls of Holstein breed of Russian and import selection. Vestnik Rossiyskogo Gosudarstvennogo Agrarnogo Zaochnogo Universiteta = Bulletin of the Russian State Agricultural Correspondence University. 2017;25:20-24. (in Russian)
49. Vsyakikh A.S., Kurinsky M.S. Imported Сattle in the USSR. Moscow: Kolos Publ., 1976. (in Russian)
50. Watanabe D., Hirano T., Sugimoto Y., Ogata Y., Abe S., Ando T., Ohtsuka H., Kunieda T., Kawamura S. Carrier rate of Factor XI deficiency in stunted Japanese black cattle. J. Vet. Med. Sci. 2006;68(12):1251-1255. DOI 10.1292/jvms.68.1251.
51. Xu L., Bickhart D.M., Cole J.B., Schroeder S.G., Song J., Tassell C.P., Sonstegard T.S., Liu G.E. Genomic signatures reveal new evidences for selection of important traits in domestic cattle. Mol. Biol. Evol. 2015;32(3):711-725. DOI 10.1093/molbev/msu333.
52. Yudin N.S., Larkin D.M. Whole genome studies of origin, selection and adaptation of the Russian cattle breeds. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2019;23(5):559-568. DOI 10.18699/VJ19.525. (in Russian)
53. Yudin N.S., Voevoda M.I. Molecular genetic markers of economically important traits in dairy cattle. Russ. J. Genet. 2015;51(5):506-517. DOI 10.1134/S1022795415050087.
54. Yurchenko A., Yudin N., Aitnazarov R., Plyusnina A., Brukhin V., Soloshenko V., Lhasaranov B., Popov R., Paronyan I.A., Plemyashov K.V., Larkin D.M. Genome-wide genotyping uncovers genetic profiles and history of the Russian cattle breeds. Heredity (Edinb.). 2018;120(2):125-137. DOI 10.1038/s41437-017-0024-3.
55. Zinovieva N.A. Haplotypes affecting fertility in Holstein cattle. Sel’skokhozyaistvennaya Biologiya = Agricultural Biology. 2016;51(4):423-435. DOI 10.15389/agrobiology.2016.4.423eng.