[論文レビュー] 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 Biffani+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2016

Genetic and phenotypic traits in livestock参考文献 12被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、468頭のホルスタイン・フレーゼン種の乳牛における相同接続領域（ROH）を用いて、集約的農業下における感染性疾患、代謝疾患、乳房炎、生殖器障害、運動器障害の感受性に関連するゲノム領域を同定した。ROH解析により、染色体12、15、3、5、7、13、18などに有意な関連が認められ、BTA 15における長大なROHは複数の疾患カテゴリと関連しており、過去のミルク生産性への選抜による、生産性と健康特性の間のトレードオフを浮き彫りにした。

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.

研究の動機と目的

• 集約的農業条件下における高生産性乳牛の疾患感受性に関連するゲノム領域を同定すること。
• ROHを、劣性疾患関連変異を同定するためのGWASの代替手段としての有効性を評価すること。
• 特に代謝疾患、感染性疾患、生殖器障害の重複する遺伝的基盤を調査すること。
• 過去のミルク生産性への選抜が、乳牛の免疫機能および全体的な耐障害性に与える影響を検討すること。
• 生産性を維持しつつ疾患抵抗性を高める育種戦略の開発を支援すること。

提案手法

• 468頭のホルスタイン・フレーゼン種の乳牛を、Illumina BovineSNP 50Kビーズチップ（UMD 3.1アセンブリ）を用いて遺伝子型解析した。
• SNP間の最大1 Mbのギャップを許容する連続したヘテロ接合性のないSNPストレッチを用いてROHを同定した。
• 診断済み疾患を5つの重複するカテゴリに分類した：感染性疾患、代謝疾患、乳房炎、生殖器障害、運動器障害。
• 各疾患カテゴリについて、疾患個体と対照群との間でROH頻度および分布を比較することで、ケース・コントロール連関解析を実施した。
• 染色体上での観察されたヘテロ接合性プロファイルを用いて、症例と対照群におけるROHの豊富度を可視化した。
• ミルク生産性および機能的特性に関する既知のQTLと照合することで、研究結果の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 感染性疾患に対する感受性に関連する、相同接続領域（ROH）によって示されるどのゲノム領域が有意に関連しているか？
• RQ2 代謝症候群を発症した個体と健康な対照群との間で、ROHパターンにどのような差が認められるか？
• RQ3 乳房炎、生殖器障害、代謝異常といった複数の疾患カテゴリに関連する共通のROH領域は存在するか？
• RQ4 疾患感受性に関連するROHが、ミルク生産性特徴に関する既知のQTLとどの程度重複するか？
• RQ5 ROH解析は、高生産性乳牛における生産性特徴と健康障害を結びつける多効能的効果を検出できるか？

主な発見

• BTA 15に位置する長大なROHは、代謝症候群、感染性疾患、生殖器障害、乳房炎と有意に関連しており、複数の健康問題に共通する遺伝的基盤を示唆している。
• BTA 12に位置するROHは、感染性疾患、乳房炎、運動器障害と関連しており、免疫機能および構造的安定性の経路に潜在的に関与している可能性を示唆している。
• 染色体3、5、7、13、18には、複数の疾患カテゴリと関連するROHが存在し、これらはすべて過去にミルク生産性特徴に関するQTLを示した領域と一致しており、遺伝的トレードオフを確認した。
• BTA 6（107.186–107.835 Mb）およびBTA 28に位置するROHは、運動器障害と関連しており、乳牛型への選抜が乳輪および四肢の形状に与える影響を反映している可能性がある。
• BTA 15に位置するROHは、症例と対照群との間でヘテロ接合性が著しく低下しており、図1で視覚的に確認された。これは、生殖器障害との中に関連性があることを裏付けている。
• 本研究は、ROHに基づく連関解析が、生産性と健康特性の間の複雑な遺伝的関係を検出可能であり、従来のGWASの代替手段として実用的であることを示した。