[논문 리뷰] Using runs of homozygosity to detect genomic regions associated with susceptibility to infectious and metabolic diseases in dairy cows under intensive farming conditions

Filippo Biscarini, Stefano Biffani외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 26.

Genetic and phenotypic traits in livestock참고 문헌 12인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 집약적인 축산 환경에서 유전적 소성, 대사성, 유축성, 생식 및 운동 기능 장애에 대한 감수성과 관련된 게놈 영역을 규명하기 위해 468头의 홀슈타인 프리지안 젖소에서 동질성 연속 영역(ROH)을 사용한다. ROH 분석은 염색체 12, 15, 3, 5, 7, 13, 18 및 기타에서 유의미한 연관성을 확인하였으며, BTA 15에서의 장기 ROH는 여러 질병 유형과 연관되어 있어 과거 유제품 수익성 향상을 위한 선택으로 인해 생산성과 건강 형질 간의 상충관계가 발생했음을 시사한다.

ABSTRACT

Runs of homozygosity (ROH) are contiguous stretches of homozygous genome which likely reflect transmission from common ances- tors and can be used to track the inheritance of haplotypes of interest. In the present paper, ROH were extracted from 50K SNPs and used to detect regions of the genome associated with susceptibility to diseases in a population of 468 Holstein-Frisian cows. Diagnosed diseases were categorised as infectious diseases, metabolic syndromes, mastitis, reproductive diseases and locomotive disorders. ROH associated with infectious diseases, mastitis and locomotive disorders were found on BTA 12. A long region of homozygosity linked with metabolic syndromes, infectious and reproductive diseases was detected on BTA 15, disclosing complex relationships between immunity, metabolism and functional disorders. ROH associated with infectious and reproductive diseases, mastitis and metabolic syndromes were observed on chromosomes 3, 5, 7, 13 and 18. Previous studies reported QTLs for milk production traits on all of these regions, thus substantiating the known negative relationship between selection for milk production and health in dairy cattle.

연구 동기 및 목표

• 집약적인 축산 조건에서 고수율 젖소의 질병 감수성과 관련된 게놈 영역을 탐지하기 위해.
• ROH를 GWAS의 대체 수단으로 사용하여 열성 질병 관련 변이를 식별하는 데의 유용성을 평가하기 위해.
• 특히 대사성, 전염성 및 생식 장애 간의 겹침을 포함한 복합 질병 형질의 유전 기반을 조사하기 위해.
• 과거에 유제품 생산성을 향상시키기 위해 이루어진 선택이 면역 기능과 젖소의 전반적인 내성에 미친 영향을 탐구하기 위해.
• 생산 성능를 유지하면서 질병 저항력을 향상시키는 육종 전략 개발을 지원하기 위해.

제안 방법

• UMD 3.1 어셈블리 기반으로 468头의 홀슈타인 프리지안 젖소를 Illumina BovineSNP 50K 비드칩으로 유전자형 분석하였다.
• 연속된 동질성 SNP 스트레치를 이용해 최대 1 Mb 이내의 간격을 가진 SNP 간격을 기준으로 ROH를 식별하였다.
• 진단된 질병을 전염성, 대사성, 유축성, 생식 및 운동 기능 장애의 다섯 가지 중첩 가능한 카테고리로 분류하였다.
• 각 질병 카테고리별로 질병 유병 동물와 대조군 간의 ROH 빈도 및 분포를 비교하여 사례-대조 연관 분석을 수행하였다.
• 염색체 전체에 걸친 관측된 이형성도를 이용해 사례군과 대조군 간의 ROH 농도 증가를 시각화하였다.
• 유제품 생산 및 기능적 형질에 대해 이전에 보고된 QTL과의 교차 참조를 통해 연구 결과를 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 젖소에서 전염성 질병 감수성과 관련된 동질성 연속 영역(ROH)으로 나타나는 유전적 영역는 무엇인가?
• RQ2 대사 증후군을 유발한 개체군과 건강한 대조군 간의 ROH 패atters는 어떻게 다를까?
• RQ3 유축성, 생식 장애 및 대사 문제와 관련된 다수의 질병 카테고리에 공통적으로 연관된 ROH 영역가 존재하는가?
• RQ4 질병 감수성과 연관된 ROH가 유제품 생산 형질에 대한 알려진 QTL과 얼마나 겹치는가?
• RQ5 ROH 분석을 통해 고수율 젖소에서 생산 형질과 건강 장애 간의 다향성 효과를 탐지할 수 있는가?

주요 결과

• BTA 15에서의 장기 동질성 연속 영역(ROH)은 대사 증후군, 전염성 질환, 생식 장애 및 유축성 장애와 유의미하게 연관되어 있어 여러 건강 문제의 공통된 유전 기반을 시사한다.
• BTA 12의 ROH는 전염성 질환, 유축성 장애 및 운동 기능 장애와 관련되어 있어 면역 및 구조적 안정성 경로에서 잠재적인 역할을 할 수 있음을 시사한다.
• 염색체 3, 5, 7, 13 및 18에는 다수의 질병 카테고리와 연관된 ROH가 존재하며, 이는 모두 이전에 유제품 생산 형질에 대한 QTL로 보고된 바 있어 유전적 상충관계를 확인한다.
• BTA 6 (107.186–107.835 Mb) 및 BTA 28의 ROH는 운동 기능 장애와 관련되어 있어 젖소 형질을 향상시키기 위한 선택이 젖가 및 사지 형태에 영향을 미쳤을 가능성을 반영한다.
• BTA 15의 ROH는 사례군에서 대조군에 비해 이형성도가 뚜렷하게 감소한 것으로 확인되었으며, 이는 그림 1에서 명백하게 확인되었으며 생식 장애와의 연관성을 뒷받침한다.
• 본 연구는 ROH 기반 연관 분석이 생산성과 건강 형질 간의 복잡한 유전적 관계를 탐지할 수 있음을 입증하며, 전통적 GWAS의 타당한 대안을 제공한다.