[论文解读] 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 10

一句话总结

本研究利用468头荷斯坦-弗里斯兰奶牛的同源片段连续区（ROH）分析，识别在集约化养殖条件下与传染性、代谢性、乳房炎、生殖及运动障碍易感性相关的基因组区域。ROH分析在染色体12、15、3、5、7、13、18等区域发现显著关联，其中BTA 15上的长ROH与多种疾病类别相关，凸显了过去为提高产奶量而进行的选择导致的生产性状与健康性状之间的权衡。

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.

研究动机与目标

• 在集约化养殖条件下，检测高产奶牛中与疾病易感性相关的基因组区域。
• 评估同源片段连续区（ROH）作为全基因组关联分析（GWAS）的替代方法，识别隐性致病变异的实用性。
• 探讨复杂疾病性状的遗传基础，特别是代谢、传染性和生殖障碍之间的重叠性。
• 探讨过去对产奶量的选择对奶牛免疫功能和整体抗逆性的影响。
• 支持开发既能增强抗病力又维持生产性能的育种策略。

提出的方法

• 使用Illumina BovineSNP 50K beadchip芯片（UMD 3.1基因组组装）对468头荷斯坦-弗里斯兰奶牛进行基因分型。
• 通过连续的纯合SNP片段识别ROH，允许SNP之间最大间隔为1 Mb。
• 将确诊的疾病按五类重叠类别分组：传染性、代谢性、乳房炎、生殖障碍和运动障碍。
• 通过比较每类疾病中患病动物与对照组的ROH频率和分布，进行病例-对照关联分析。
• 利用染色体上观察到的杂合度图谱，可视化病例组与对照组中ROH富集情况。
• 通过将ROH区域与已报道的产奶量和功能性状的QTL进行交叉比对，验证研究结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些由同源片段连续区（ROH）指示的基因组区域与奶牛传染性疾病易感性显著相关？
• RQ2 患有代谢综合征的动物与健康对照组的ROH模式有何差异？
• RQ3 是否存在与多种疾病类别（如乳房炎、生殖障碍和代谢问题）相关的共享ROH区域？
• RQ4 与疾病易感性相关的ROH在多大程度上与已知的产奶量性状QTL重叠？
• RQ5 ROH分析能否检测到高产奶牛中生产性状与健康障碍之间的多效性效应？

主要发现

• BTA 15上的长ROH与代谢综合征、传染性疾病、生殖障碍及乳房炎显著相关，表明多种健康问题具有共同的遗传基础。
• BTA 12上的ROH与传染性疾病、乳房炎和运动障碍相关，提示其可能在免疫功能和结构完整性通路中发挥作用。
• 染色体3、5、7、13和18携带与多种疾病类别相关的ROH，且这些区域此前均与产奶量性状的QTL重合，证实了遗传权衡的存在。
• BTA 6（107.186–107.835 Mb）和BTA 28上的ROH与运动障碍相关，可能反映了对乳用体型选择对乳房和肢蹄结构的影响。
• BTA 15上的ROH在病例组中表现出明显的杂合度降低，图1中已直观确认，支持其与生殖障碍的关联。
• 本研究证明，基于ROH的关联分析可有效检测生产性状与健康性状之间复杂的遗传关系，为传统GWAS提供可行替代方案。