مطالعه بیوانفورماتیکی ژنوم میتوکندری در دو زیرگونه گاو هلشتاین (bos taurus) و کلیستانی (bos indicus) با استفاده از داده های rna-seq

مقدمه و هدف: ظهور نسل جدید توالی یابی ترانسکریپتوم به بهبود صحت کلی پیش بینی بیان ژن های مختلف با استفاده از توالی های کوتاه rna-seq کمک کرده است.این فناوری می تواند یک دیدگاه جامع تری نسبت به ژنومیک عملکردی در بسیاری از گونه ها با یک توالی ژن منحصر به فرد داشته باشد. هدف از انجام تحقیق حاضر بررسی دلایل ساختاری بیان متفاوت ژن های میتوکندری در دو زیر گونه گاو هلشتاین و کلیستانی شامل ژن های nd3، nd4، nd4l،nd5 و nd6 بود که در فرآیندهای مهمی از جمله متابولیسم انرژی در مقابله با تنش های زیستی و غیرزیستی و نیز مقاومت به بیماری نقش دارند. مواد و روش ها: در این مطالعه از داده های rna-seq مربوط به ادغام 40 نمونه از مرکز گاو شیری دانشگاه ویسکانسین آمریکا (bos taurus) و 45 گاو ماده کلیستانی (bos indicus) در مزرعه گوجایتپیر شهر باهاوالپور واقع در ایالت پنجاب پاکستان استفاده شد. برای انجام این مطالعه جهت بررسی سطح پوشش ترانسکریپتومی و اختلافات ژنتیکی در بین پنج ژن میتوکندری که شامل نواحی چندشکلی، نواحی حذف و اضافه، نواحی اتصال و درصد انواع جایگزینی های نوکلئوتیدی انتقالی و تقاطعی از نرم افزارهای igb، mega6و dnaspv.5 استفاده شد. یافته ها: بیشترین ناحیه و طول حذف در تمام ژن‌های مورد مطالعه مربوط به ژنوم هلشتاین و بیشترین طول و ناحیه اتصال مربوط به گاو کلیستانی بود. بیشترین تعداد نواحی حذف در گاوهای هلشتاین و کلیستانی مربوط به ژن nd4 به ترتیب با 74 و 66 نقطه و کمترین نواحی حذف مربوط به nd4l به ترتیب با 9 و 4 ناحیه حذف بودند. ژن های nd4 و nd4l هیچ ناحیه اتصال نداشتند، اما ژن های nd5 و nd6 در دو نژاد هلشتاین و کلیستانی به ترتیب با 1 و 2 ناحیه اتصال موجب افزایش ژنوم به ترتیب با طول 11 و 22 جفت باز شدند. بالاترین سطح پوشش ترانسکریپتومی در ژن های nd3 و nd4 و کمترین پوشش در جایگاه ژن nd6 مشاهده شد. تعداد نواحی چندشکل در جایگاه nd5 بیشتر از سایر ژن ها و برابر با 38 ناحیه چندشکلی بود. همچنین، نتایج نشان داد که درصد جانشینی انتقالی در بازها بیشتر از جانشینی تقاطعی هست که می تواند دلیل پایداری تغییرات در طی تکامل باشند. بنابراین، برخی از دلایل ساختاری ژن های میتوکندری که در دو زیرگونه هلشتاین و کلیستانی بیان متفاوت داشتند، می تواند مربوط به حذف و اضافه، نواحی چندشکلی، سطح پوشش ترانسکریپتومی و نوع و میزان جایگزینی های انتقالی و تقاطعی باشند که در طی تکامل دو زیرگونه بوجود آمده است. نتیجه گیری: انتخاب شدید برای تولید شیر در گاوهای هلشتاین نسبت به نژاد کلیستانی منجر به کاهش طول ژنوم میتوکندری و تغییرات در ساختار نوکلئوتیدی برخی ژن های میتوکندری شده که نتیجه آن تغییر بیان ژن ها و عکس العمل متفاوت به شرایط متفاوت محیطی می باشد.

Bioinformatics Study of mtDNA Genes in Two Subspecies of Holstein (Bos taurus) and Cholistani (Bos indicus) Cattle Using RNA-Seq Data

Extended AbstractIntroduction and Objective: The advent of the new generation of transcriptome sequencing has helped to improve the overall accuracy of different gene expression predictions using short RNASeq sequences. This technology can provide a more comprehensive view of functional genomics in many species with a unique gene sequence. The aim of this study was to investigate the structural reasons for different expression of mitochondrial genes in two subspecies of Holstein and Cholistani cattle, including ND3, ND4, ND4L, ND5 and ND6 genes, which are involved in important processes such as energy metabolism against stress. Biological and nonbiological as well as disease resistance are involved.Material and Methods: In this study, RNASeq data were used to integrate 40 samples from the University of Wisconsin Dairy Cattle Center (Bos taurus) and 45 Christian cows (Bos indicus) at the Gujaratpir farm in Bahawalpur, Punjab, Pakistan. IGB, MEGA6 and DnaSPV.5 software were used to investigate the level of transcriptome coverage and genetic differences among the five mitochondrial genes, which included polymorphic regions, deletion and addition regions, binding regions and the percentage of transitional and transversional nucleotide substitutions.Results: The highest deletion region and length in all studied genes was related to Holstein genome and the highest length and binding region was related to Cholistani cattle. The highest number of deletions in Holstein and Cleistani cows were related to ND4 gene with 74 and 66 points, respectively, and the lowest deletions were related to ND4L with 9 and 4 deletion sites, respectively. The ND4 and ND4L genes had no binding regions, but the ND5 and ND6 genes in the Holstein and Cleistian breeds with 1 and 2 binding regions increased the genome by 11 and 22 bp, respectively. The highest level of transcriptome coverage was observed in ND3 and ND4 genes and the lowest level was observed in ND6 gene locus. The number of polymorphic regions in ND5 locus was more than other genes and equal to 38 polymorphic regions. The results also showed that the percentage of transitional substitution in bases is higher than transversional substitution which can be the reason for the stability of changes during evolution. Therefore, some of the structural reasons for mitochondrial genes that were expressed differently in both Holstein and Cholistani subspecies could be related to deletion and addition, polymorphic regions, transcriptome coverage level, and type and amount of transitional and intersecting substitutions during the evolution of the two subspecies. Conclusion: Intense selection for milk production in Holstein cows compared to the Cholistani breed has led to a reduction in the length of the mitochondrial genome and changes in the nucleotide structure of some mitochondrial genes, resulting in altered gene expression and different responses to different environmental conditions.