شناسایی مناطق تحت انتخاب مرتبط با بیماری یون در گاوهای هلشتاین ایرانی با استفاده از داده های ژنومی

چکیده مبسوطمقدمه و هدف: یکی از مهم‎ترین و چالش برانگیزترین مطالعات حیوانات در زمینه ژنتیک جمعیت، شناسایی نشانه‎های انتخاب در جهت ارتقا صفات اقتصادی و کاهش بیماری‎ها است. بیماری یون یک عفونت باکتریایی مزمن علاج‎ناپذیر است که به‎صورت اولیه قسمت‎های تحتانی روده کوچک نشخوارکنندگان را درگیر می‎کند، هرچند آسیب‎شناسی و نشانه‎های آن میان گونه‎ها متفاوت است. از پیامدهای اقتصادی بیماری یون کاهش تولید، از دست رفتن ارزش ژنتیکی، افزایش حساسیت به سایر بیماری‎ها، افزایش فاصله بین گوساله‎زایی، کاهش وزن‎گیری، کاهش ارزش لاشه، کاهش باروری (به‎دلیل کاهش تشکیل پروژسترون سرم و جسم زرد)، کاهش کیفیت وکمیت شیر (کاهش چربی و پروتئین و افزایش سلول‎های سوماتیک در شیر) و حذف پیش از موعد می‎باشند. از جهتی، با توجه به نتایج تحقیقات جدید احتمال داده می‎شود این باکتری یک پاتوژن زئونوز باشد که در ایجاد بیماری کرون (یک بیماری التهابی مزمن روده (ibd)) در انسان نقش دارد. نتایج بررسی تعدادی از محققان ‏نشان می‎دهد که حتی در مواردی بعد از پاستوریزاسیون شیر نیز این پاتوژن، زنده باقی‎مانده و در نتیجه تهدید‎ی برای سلامت جامعه می‎باشد. این بیماری از نظر اقتصادی یکی از مهم ترین بیماری‎ها و از نظر شیوع یکی از شایع‎ترین بیماری‎هاست و خسارت اقتصادی زیادی به صنعت دامداری در سراسر جهان وارد می‎کند. در این مطالعه، با هدف شناسایی نشانه‎های انتخاب بین جمعیت‎های گاوهای مبتلا به بیماری یون و سالم هلشتاین، با استفاده از چندشکلی‎های تک نوکلئوتیدی (snp) یک پویش گسترده در سطح ژنوم انجام شد. مواد و روش‎ها: در این مطالعه از گاوهای گاوداری فکا در اصفهان که شامل 145 راس گاو هلشتاین بود استفاده شد. این 145 راس بر اساس تراشه‌های 30k شرکت ایلومینا تعیین ژنوتیپ شدند. گاوها در دو گروه بیمار و سالم گروه‎بندی شدند. گروه بیمار شامل 45 راس و گروه سالم شامل 100 راس گاو بود. شاخص‎های کنترل کیفیت شامل نرخ خوانش حیوان (mind)، نرخ خوانش snp (geno)، فراوانی آلل نادر (maf) و تعادل هاردی– واینبرگ بودند. برای شناسایی مسیرهای متابولیکی مهم، از افزونه cluego (نسخه 2.5.6) در نرم‎افزار cytoscape استفاده شد که تفسیرهای بیولوژیکی ژن‎ها را ارائه می‎کنند. در این مطالعه برای شناسایی نشانه‎های انتخاب از دو آماره ihs و rsb استفاده شد. یافته‎ها: 63 ژن در جمعیت بیمار و 70 ژن در جمعیت سالم گاوهای هلشتاین توسط آماره ihs شناسایی شد. ژن‎های مهم شناسایی شده توسط آماره ihs در جمعیت بیمار شامل hcn2، dock4، itga8 و stag1 و همچنین، در جمعیت سالم شامل cav2، cntnap4، mib1 و ttc23 بودند. همچنین، پس از بررسی مناطق تحت انتخاب 39 ژن در جمعیت بیمار و 53 ژن در جمعیت سالم گاوهای هلشتاین توسط آماره rsb شناسایی شد. ژن‎های مهم شناسایی شده توسط آماره rsb در جمعیت بیمار شامل grid2، ppip5k2 و ctnna2 و در جمعیت سالم شامل dock1، pcdh9 و ak1 بودند. نتیجه‎گیری کلی: در مطالعه اخیر، نتایج آماره ihs نشان داد که در جمعیت سالم 84 منطقه ژنومی و در جمعیت بیمار 96 منطقه ژنومی و همچنین در آماره rsb در جمعیت سالم 152 منطقه ژنومی و در جمعیت بیمار 129 منطقه ژنومی تحت انتخاب بودند. اکثر ژن­های شناسایی شده در این مطالعه با ایمنی، سرطان، تهاجم باکتری به سلول‎ها، پیری سلولی، پاسخ سلولی، رشد و چسبندگی سلولی در ارتباط بود، که جزو صفات و ویژگی‎های مهم زیستی جاندار قرار می‎گیرد. با مشخص شدن ژن‎های کاندید احتمالی مرتبط با بیماری یون و مقاوم به بیماری یون در گاو، می‎توان از این اطلاعات در برنامه‎های اصلاح نژادی (انتخاب در جهت کاهش یا افزایش بیان و فراوانی ژن‎های مهم) گاوهای هلشتاین در کشور استفاده کرد. البته به‎دلیل اطلاعات ناقص مربوط به عملکرد ژن‌ها در گونه گاو و همچنین کوچک بودن جمعیت مورد استفاده در این مطالعه، مطالعات گسترده‎تر با تعداد نمونه‎های بیشتر و تجزیه و تحلیل چند جمعیت جداگانه درک بهتری از ژن‎های کاندید برای بیماری یون در جمعیت گاو ایجاد خواهد نمود. 

identification of selection signatures related to johne's disease in iranian holstein cows using genomic data

extended abstractbackground: one of the principal and challenging animal studies in population genetics is to identify the signs of selection to improve economic traits and reduce diseases. johne’s disease is an incurable chronic bacterial infection that primarily affects the lower parts of the small intestine of ruminants, although its pathology and symptoms vary among species. the economic consequences of johne’s disease include reduced production, loss of genetic value, increased sensitivity to other diseases, increased interval between calving, weight loss, reduced carcass value, reduced fertility (due to reduced serum progesterone formation and corpus luteum), decreased quality and quantity of milk (decreasing fat and protein and increasing somatic cells in milk), and premature elimination. according to the results of new research, this bacterium may be a zoonotic pathogen that plays a role in causing crohn’s disease (a chronic inflammatory bowel disease (ibd)) in humans. even after milk pasteurization, this pathogen remains alive and is therefore a threat to the health of society. this disease is one of the main diseases economically and one of the most prevalent diseases, causing great economic damage to the livestock industry worldwide. in this study, an extensive genome-wide scan was performed using single nucleotide polymorphisms (snps) to identify the signs of selection between populations of holstein cows affected by johne’s disease and healthy animals.methods: in this study, 145 holstein cows of the feka cattle farm in isfahan were genotyped based on illumina 30k chips. cows were grouped into two sick and healthy groups, with 45 and 100 cows, respectively. quality control indicators included the animal read rate (mind), snp read rate (geno), rare allele frequency (maf), and hardy-weinberg equilibrium. to identify important metabolic pathways, cluego (version 2.5.6) was used in cytoscape software, which provides biological interpretations of genes. in this study, two statistics, ihs and rsb, were used to identify the signs of selection.results: using ihs statistics, 63 and 70 genes were identified in the diseased and healthy populations of holstein cows, respectively. the important genes identified by ihs statistics included hcn2, dock4, itga8, and stag1 in the patient population, and cav2, cntnap4, mib1, and ttc23 in the healthy population. after examining the selected regions, 39 and 53 genes were identified in the diseased and healthy populations of holstein cows with rsb statistics. the important genes identified by rsb statistics included grid2, ppip5k2, and ctnna2 in the patient population, and  dock1, pcdh9, and ak1 in the healthy population.conclusion: in the present study, the results of the ihs statistics showed that 84 and 96 genomic regions were under selection in the healthy and patient populations, as well as 152 and 129 genomic regions in the healthy and patient populations using the rsb statistics. most of the genes identified in this study were related to immunity, cancer, bacterial invasion of cells, cell aging, cell response, growth, and cell adhesion, which are among the important biological traits and characteristics of living organisms. by identifying possible candidate genes related to and resistance to johne’s disease in cattle, this information can be used in breeding programs (selection to reduce or increase the expression and frequency of important genes) for holstein cows in iran. however, due to the incomplete information related to the function of the genes in cattle species and the small population used in this study, more extensive studies with more samples and the analysis of several separate populations will provide a better understanding of candidate genes for johne’s disease in the cattle population.