تجزیه و تحلیل غنی‌سازی مجموعه‌های ژنی با استفاده از مطالعات پویش کل ژنومی جهت شناسایی ژن‌ها و مسیرهای مرتبط با تعداد نتاج در نژادهای مختلف گوسفند

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار گروه علوم دامی دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی دانشگاه اراک

2 دانش آموخته دکتری گروه علوم دامی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

3 . استادیار گروه علوم دامی، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه اراک، اراک، ایران

چکیده

هدف از این پژوهش، بررسی صفت تعداد نتاج در هر زایش میش به­عنوان یک صفت تولید­مثلی مهم بود. به این منظور از رکوردهای فنوتیپی هفت نژاد گوسفند وادی، هوی، ایسلندی، فین­شیپ و رومانوف با باروری بالا و نژادهای تکسل و راهمنی با باروری پایین، برای مطالعه پویش ژنومی بر پایه آنالیز غنی­سازی به‌منظور شناسایی مکانیسم­­های زیستی استفاده شد. ارزیابی پویش کل ژنومی در بسته GenABEL برنامه R انجام شد. آنالیز غنی­سازی مجموعه ژنی با بسته نرم‌افزاری goseq برنامه R با هدف شناسایی طبقات عملکردی و مسیرهای زیستی ژن­های نزدیک در مناطق انتخابی کاندیدا انجام شد. در این پژوهش ژن­های BMP5، DHCR24، BMPR1B، ESR1، ESR2 و PLCB1 در نژادهای وادی و رومانوف، ژن­های SMAD1، SMAD2، INSR و PTGS2 در نژادهای فین­شیپ و هوی، ژن­های BMP7، NCOA1 و ERBB4 در گوسفند ایسلند، ژن­های BMP4، MSRB3 و SPP1 در نژاد تکسل، و ژن­های BMP7، EGFR و KCNMA1 در نژاد راهمنی با تعداد نتاج متولدشده مرتبط بودند. در تحلیل غنی­سازی مجموعه­های ژنی، تعداد 30 مسیر با صفت تعداد نتاج در هر زایش مرتبط بودند. از بین مسیرهای زیستی شناسایی‌شده، مسیرهای TGF-β signaling pathway،Oxytocin signaling pathway ، Estrogen signaling pathway، Prolactin signaling pathway وInsulin signaling pathway نقش مهمی در نرخ تخمک­ریزی و چند قلوزایی داشتند. با توجه به تأیید مناطق قبلی پویش ژنومی و شناسایی مناطق ژنومی جدید، استفاده از یافته­های این پژوهش می­تواند در انتخاب ژنتیکی گوسفند از طریق تعداد نتاج بیش‌تر در هر زایش مفید باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Gene set enrichment analysis using genome-wide association study to identify genes and pathways associated with litter size in various sheep breeds

نویسندگان [English]

  • amir hossein khaltabadi farahani 1
  • hossein mohammadi 2
  • hossein moradi 3
1 . Assistant Professor, Department of Animal Sciences, Faculty of Agriculture and Natural Resources, Arak University, Arak, Iran
2 Ph.D Graduated, Department of Animal Science, Faculty of Agricultural Sciences, University of Tabriz, Tabriz, Iran
3 Assistant Professor, Department of Animal Sciences, Faculty of Agriculture and Natural Resources, Arak University, Arak, Iran
چکیده [English]

The aim of this study was to identify the molecular pathways related to litter size in sheep using gene set enrichment analysis. For this purpose, information of high prolificacy sheep breeds including Wadi, Hu, Icelandic, Finnsheep, and Romanov and low prolificacy including Texel and Rahmani were used for genome wide association studies and gene set enrichment analysis. Genome-wide association study was conducted using GenABEL package of R program. Gene set enrichment analysis was performed with the goseq R package to identify the biological pathways associated with candidate genes. We identified different sets of candidate genes related to litter size: BMP5, DHCR24, BMPR1B, ESR1, ESR2 and
PLCB1 in Wadi and Romanov; SMAD1, SMAD2, INSR and PTGS2 in Finnsheep and Hu; BMP7, NCOA1 and ERBB4 in Icelandic; BMP4, MSRB and SPP1 in Texel; BMP7, EGFR and KCNMA1 in Rahmani. According to pathway analysis, 30 pathways were associated with the litter size trait. Among biological pathways, the TGF-β signaling, Oxytocin signaling, Estrogen signaling, Prolactin signaling, and Insulin signaling pathways have significant association with ovulation rate and litter size trait. Overall, this study supported previous results from GWAS for litter size, also revealed additional regions in the sheep genome associated with litter size in sheep. These findings could potentially be useful for selective breeding for more litter size in sheep.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Biological pathways
  • Gene set enrichment analysis
  • genome scan
  • prolificacy
  • sheep
1.Abdoli R, Mirhoseini SZ, Ghavi Hossein-Zadeh N, Zamani P and Gondro C (2018) Genome-wide association study to identify genomic regions affecting prolificacy in Lori-Bakhtiari sheep. Animal Genetics, 49(5): 488-491.
2. Barzegari A, Atashpaz S, Ghabili K, Nemati Z, Rustaei M and Azarbaijani R (2010) Polymorphisms in GDF9 and BMP15 associated with fertility and ovulation rate in Moghani and Ghezel sheep in Iran. Reproduction in Domestic Animals, 45(4): 666-669.
3. Bohlouli M, Mohammadi H and Alijani S (2013) Genetic evaluation and genetic trend of growth traits of Zandi sheep in semi-arid Iran using random regression models. Small Ruminant Research, 114: 195-201.
4. Casarini L, Santi D and Marino M (2015) Impact of gene polymorphisms of gonadotropins and their receptors on human reproductive success. Reproduction, 150(6): 175-84.
5. Chen HY, Shen H, Jia B, Zhang YS, Wang XH and Zeng XC (2015) Differential gene expression in ovaries of Qira black sheep and Hetian sheep using RNA-Seq technique. PLoS One, 10(3):e0120170.
6. Esmaeili fard SM, Hafezian SH, Gholizadeh M and Abdolahi Arpanahi R (2019) Gene set enrichment analysis using genome-wide association study to identify genes and biological pathways associated with twinning in Baluchi sheep. Animal Production Research, 8(2): 63-80. (In Persian)
7. El-Halawany N, Zhou X, Al-Tohamy AF, El- Sayd YA, Shawky AA, Michal JJ and Jiang Z (2016) Genome-wide screening of candidate genes for improving fertility in Egyptian native Rahmani sheep. Animal Genetics, 1(1): 10.1111/age.12437.
8. Goyal S, Aggarwal J, Dubey PK, Mishra BP, Ghalsasi P, Nimbkar C, Joshi BK and Kataria RS (2017) Expression Analysis of Genes Associated with Prolificacy in FecB Carrier and Noncarrier Indian Sheep. Animal Biotechnology, 28(3): 220-227.
9. La Y, Tang J, Di R, Wang X, Liu Q, Zhang L, Zhang X, Zhang J, Hu W and Chu M (2019) Differential Expression of Circular RNAs in Polytocous and Monotocous Uterus during the Reproductive Cycle of Sheep. Animals, 9(10): E797.
10. Lai FN, Zhai H L, Cheng M, Ma JY, Cheng SF, Ge W, Zhang GL, Wang JJ, Zhang RQ, Wang X, Min LJ, Song JZ and Shen W (2017) Wholegenome scanning for the litter size trait associated genes and SNPs under selection in dairy goat (Capra hircus). Scientific Reports, 6: 38096.
11. Li WT, Zhang MM, Li QG, Tang H, Zhang LF, Wang KJ, Zhu MZ, Lu YF, Bao HG, Zhang YM, Li QY, Wuk L and Wu CX (2017) Whole-genome resequencing reveals candidate mutations for pig prolificacy. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 284(1869): 20172437.
12. Li X, Ye J, Han X, Qiao R, Li X, Lv G and Wang K (2019) Whole-genome sequencing identifies potential candidate genes for reproductive traits in pigs. Genomics, 7543(18): 30673-6.
13. Liu C, Ran X, Yu C, Xu Q, Niu X, Zhao P and Wang J (2019) Whole-genome analysis of structural variations between Xiang pigs with larger litter sizes and those with smaller litter sizes. Genomics, 111(3): 310-319.
14. Marques DBD, Bastiaansen JWM, Broekhuijse MLWJ, Lopes MS, Knol EF, Harlizius B, Guimarães SEF, Silva FF and Lopes PS (2018) Weighted single-step GWAS and gene network analysis reveal new candidate genes for semen traits in pigs. Genetics Selection Evolution, 50(1):40.
15. Mencik S, Vukovic V, Spehar M, Modric M, Ostovic M and Kabalin AE (2019) Association between ESR1 and RBP4 genes and litter size traits in a hyperprolific line of Landrace× Large White cross sows. Veterinarni Medicina, 64(03): 109-117.
16. Moradband F, Rahimi G and Gholizadeh M (2011) Association of polymorphism in fecundity genes of GDF9, BMP15and BMPR- 1Bwith litter size in Iranian Baluchi sheep. Asian Australasian Journal of Animal Sciences, 9: 1179-1183. (In Persian)
17. Mohammadi H, Moradi Shahrebabak M and Moradi Shahrebabak H (2013) Analysis of Genetic Relationship between Reproductive vs. Lamb Growth Traits in Makooei Ewes. Journal of agricultural science and technology, 15: 45-53.
18. Nikbin S, Panandam JM, Yaakub H and Murugaiyah M (2018) Association of novel SNPs in gonadotropin genes with sperm quality traits of Boer goats and Boer crosses. Journal of applied animal research, 46(1): 459-466.
19. Onteru SK, Fan B, Du ZQ, Garrick DJ, Stalder KJ and Rothschild MF (2012) A wholegenome association study for pig reproductive traits. Animal Genetics, 43(1): 18-26.
20. Patel OV, Bettegowda A, Ireland JJ, Coussens PM, Lonergan P and Smith GW (2007) Functional genomics studies of oocyte competence: evidence that reduced transcript abundance for follistatin is associated with poor developmental competence of bovine oocytes. Reproduction, 133(1): 95-106.
21. Peñagaricano F, Weigel KA, Rosa GJ and Khatib H (2013) Inferring quantitative trait pathways associated with bull fertility from a genome-wide association study. Frontiers Genetics, 3: 307-314.
22. Wang Y, Ding X, Tan Z, Xing K, Yang T, Wang Y, Sun D and Wang L (2018) Genomewide association study for reproductive traits in a Large White pig population. Animal Genetics, 49(2):127-131.
23. Xie H, Wang H, Tranguch S, Iwamoto R, Mekada E, Demayo FJ, Lydon JP, Das SK and Dey SK (2007) Maternal heparin-binding-EGF deficiency limits pregnancy success in mice. Proceedings of the National Academy of Sciences, 104(46): 18315-18320.
24. Xu SS, Gao L, Xie XL, Ren, YL, Shen ZQ, Wang F, Shen M, Eyϸórsdóttir E, Hallsson JH, Kiseleva T, Kantanen J and Li MH (2018) Genome-Wide Association Analyses Highlight the Potential for Different Genetic Mechanisms for Litter Size Among Sheep Breeds. Frontiers Genetics, 9: 118.