利用整合组学策略鉴定猪经济性状候选基因及功能突变

发布时间：2020-06-01 17:12

【摘要】：由于长期的人工选择方向和环境差异使得中西方猪的遗传背景产生差异,从而造成中西方猪种在生长速度、瘦肉率等经济性状相关表型上的差异。选择信号的研究有助于解析这些差异表型背后对应的遗传机制,同时也是鉴定影响猪经济性状相关基因的一种有效策略。然而,由于连锁不平衡造成的选择信号区域过大、猪功能基因组注释不完整等因素的影响,使鉴定影响经济性状的主效基因与非编码区域功能突变非常困难。为了克服这些困难进而鉴定经济性状相关基因及功能性突变位点,本研究利用了整合组学策略系统的分析并鉴定了猪受人工选择的基因和功能性突变位点,并解析其分子机制和对经济性状的影响。本研究主要结果有:(1)中西方猪种选择性清扫及人工选择区域的定位:利用了 13个中西方猪种的64个个体重测序公共数据进行SNP的提取,通过群体遗传学方法解析其群体结构和进化关系,并利用滑动窗口方式计算Fst,鉴定了 1296个西方猪受选择基因,169个中国地方猪受选择基因和1420个在中西方猪种中高度分化的基因。在此基础上进一步利用选择信号和分化信号的分布特征,结合去除起源背景的方法锁定了 390个西方猪受人工选择的基因和62个中国地方猪受人工选择的基因,同时这些基因显著富集在了生长、体尺、肌肉发育、免疫系统等表型中。富集结果与中西方猪种的表型差异密切相关,也验证了本研究鉴定人工选择区域方法的可靠性。(2)在全基因组范围内对等位基因差异表达现象进行鉴定:本实验室建立了大白x梅山/恩施杂交F1群体,通过单倍型定相(phasing)技术在胚胎期和成年期38个组织中鉴定了 499个等位基因差异表达基因。单倍型定相结果显示,利用中西方猪种F1代杂合子群体策略构建的定相单倍型对基因组的覆盖度高达79%。等位基因差异表达基因分析结果显示,等位基因差异表达现象在猪中具有组织特异性,这些具有组织特异性的等位基因差异表达基因与该组织的生物学过程密切相关。同时本研究还发现,西方猪受人工选择的390基因中有75个同时具有等位基因差异表达现象,例如受到人工选择并与肥胖相关的CPE基因,在胚胎95天的脑组织中,该基因西方猪单倍型的表达量远高于中国地方猪单倍型的表达量。(3)猪基因组调控元件的预测与验证:通过猪与人基因组共线性分析共鉴定了1.33G同源保守片段,并结合人类基因组百科全书计划和ROADMAP表观遗传学计划公布的人类调控元件图谱,对这1.33G的同源保守片段进行了注释。本研究在猪基因组中共预测出82542个潜在调控元件,其中64%的潜在调控元件能够在猪肝脏组织的ChIP-seq数据中得到验证。与人工选择区域联合分析结果表明,人工选择基因附近的中西方猪种极端差异SNP位点相比其他的SNP位点更容易被调控元件所覆盖。本研究在人工选择区域内共发现了 1 12167个位于调控元件上的中西方猪种极端差异SNP位点。以上结果对猪调控元件进行全基因组水平预测,为进一步鉴定具有功能的SNP位点奠定了基础,同时也证明了选择发生的区域更倾向于在调控元件上产生。(4)猪肝脏组织调控元件鉴定:我们利用公共数据对猪肝脏组织的组蛋白ChIP-seq数据进行分析,共鉴定了 61570个增强子、14007个活跃启动子、171 1个超级增强子和1989个宽阔H3K4me3结构域。这为猪肝脏组织相关的分子功能研究提供了丰富的注释信息和参考资料。研究进一步对调控元件在物种间保守进行分析,结果显示,活跃启动子在物种间的功能保守比例(77%)显著高于增强子(30%),而仅序列保守的增强子可在其他组织中扮演增强子的角色(78%),同时也证明了肝脏中超级增强子的调控在物种间也具有极高的保守性(P1.66e-15)。这些结果表明,增强子的静息与激活受到组织和时空特异性限制,同时也证明了调控元件在物种间具有较高保守性,。(5)人工选择致因突变的鉴定:我们将猪潜在调控元件注释及等位基因差异表达分析结果与人工选择基因进行了联合分析,并通过Motif序列特征锁定了 1617个会形成或破坏转录因子核心MotifF序列的候选位点。在此基础上进一步通过转录因子与基因的共表达分析锁定了 80个候选位点,其中包括了能够改变MYOD结合的IGF1R内含子GA突变、改变CEBPB结合的IL1R1内含子AT突变和改变JUN结合的CD36内含子TC突变。在F2群体中关联分析结果表明这些位点与日增重、胴体直长、和免疫性状显著关联。这些位点为揭示表型变化后的遗传学变化提供了重要参考资料,同时也为分子育种提供了候选标记。(6)IGF1R基因内含子G/A人工选择突变分子机制:IGF1R荧光素酶活性检测及WB结果表明IGF1R受MYOD调控,并且G等位基因会上调IGF1R活性。凝胶迁移(EMSA)结果表明,G等位基因与核蛋白的结合能力显著高于A等位基因。当G/A等位基因的MYOD结合位点被敲除后,IGF1R下调表达。以上结果证明G/A单倍型通过改变与MYOD的结合效率来调控IGF1R基因的表达。本研究提供了针对由鉴定选择导致的致因突变建立了系统性分析流程,为更好地理解猪的人工选择提供了新的证据。此外,非编码区的功能注释和功能突变鉴定将成为猪功能基因组研究提供参考资料。
【图文】：

选择性,等位基因

－？Ｆｉｇｕｒｅ邋１．邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ邋ｓｗｅｅｐ邋（Ｓｃｈａｆｆｎｅｒ邋ａｎｄ邋Ｓａｂｅｔｉ邋２００８）逡逑过程中，新的有益突变在群体中的频率上升。图中展示了选择前后染色体的多态性基因以灰色展示，衍生（非祖先）等位基因以蓝色显示，随着一个新的有益突变出表示），伴随着选择的发生，红色的等位基因频率上升，，周围的连锁等位基因也会邋ｎａｔｕｒａｌ邋ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ，邋ａ邋ｎｅｗ邋ｂｅｎｅｆｉｃｉａｌ邋ｍｕｔａｔｉｏｎ邋ｗｉｌｌ邋ｒｉｓｅ邋ｉｎ邋ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ邋（ｐｒｅｖａｌｅｎｃｅ）邋ｉｎ邋ａ邋ｐｏｐｕｌａｍａｔｉｃ邋ｓｈｏｗｓ邋ｐｏｌｙｍｏｒｐｈｉｓｍ邋ａｌｏｎｇ邋ａ邋ｃｈｒｏｍｏｓｏｍｅ，邋ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ邋ｔｈｅ邋ｓｅｌｅｃｔｅｄ邋ａｌｌｅｌｅ，邋ｂｅｆｏｒｅ邋ａｎｄ

示意图,等位基因,差异表达,工作流程

逦－－Ｃ邋－－－－逡逑Ｃ灥娜ｃ邋嫌逡逑图１－２．等位基因差异表达常见模式（Ｃａｓｔｅｌ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２０１５）逡逑Ｆｉｇｕｒｅｌ－２．邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ａｌ
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S828

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