基于高通量测序的贵州地方猪种基因组结构变异研究

发布时间：2020-06-02 19:18

【摘要】：猪在长期的进化和选择过程中,形成丰富多样的品种,不同品种的生长速度、体型外貌和繁殖性能各不相同。对繁殖力强、抗逆性强、肉质鲜美等优良性状的挖掘对养猪产业的发展意义重大。基因组水平的结构变异能够影响基因的功能,以致影响个体表型性状,在物种进化中也起着重要作用。采用基因组重测序方法,测定18头贵州地方猪种的基因组序列,包括香猪、柯乐猪、黔北黑猪、江口萝卜猪和关岭猪,并从公共数据库下载36头猪的重测序数据,利用生物信息学方法在全基因组水平比较贵州地方猪种和其它中国地方猪种、欧洲猪种之间的差异,从基因组水平上揭示品种间不同表型性状的遗传变异。通过研究,筛选香猪产仔数性状的重要候选基因,初步揭示产仔数调控的分子机制。主要研究结果如下:1.54头猪基因组结构变异的生物信息学分析对18头贵州地方猪(香猪、柯乐猪、关岭猪、黔北黑猪、江口萝卜猪)进行基因组重测序,另从公共数据库下载36头猪的基因组重测序数据,54头猪共得到1215.58 Gb的高质量数据。利用Pindel和Soft SV软件分析54头猪的基因组数据,在全基因组水平鉴定出39166个结构变异。随机选取81个结构变异进行PCR验证,证明这81个结构变异真实存在。结构变异大部分位于基因的间隔区和内含子区域,仅543个结构变异位于基因的外显子区域和UTR区域;基因发生结构变异的数量与基因产生转录本的数量呈正相关关系,表明结构变异可能是基因转录本可变剪接的原因之一。分析结构变异中的功能元件,大部分结构变异含有转座元件(transposable element,TE)。经主成分分析,基因组结构变异能够将不同遗传背景的猪种区分开来,提示结构变异可能影响猪的进化。2.不同猪品种特有的结构变异及相关基因功能分析与其它猪种比较,贵州地方猪种的结构变异数量是欧洲猪种的1.9倍。贵州地方猪种鉴定出1956个特有结构变异影响1628个蛋白编码基因,其中93个基因可能受结构变异的影响失去功能,这些基因多与猪的繁殖能力相关。全部受影响的1628个蛋白编码基因除了富集在类固醇激素受体结合、雌激素受体结合、催产素受体信号通路、视黄酸受体结合等繁殖相关通路外,还富集于轴突导向、胆碱能突触通路和m TOR信号通路等,提示这些结构变异可能是贵州猪适应能力强和繁殖力低的原因。从贵州猪种X染色体上鉴定出一个20 Mb的热点区域,含有29个基因,涉及组蛋白修饰和繁殖过程。3.贵州猪种基因组特有结构变异分析五个贵州猪种共享5944个结构变异,同时也存在品种特有的结构变异。柯乐猪(KL)特有870个,黔北黑猪(QB)特有823个,关岭猪(GL)特有825个,萝卜猪(LB)特有786个,香猪(XP)特有5855个。我们发现XP拥有数量最多的特有结构变异,LB特有结构变异的数量最少。PCA分析表明第一特征向量可将地缘不同的GL、LB和KL、QB、XP区分开;第二特征向量可区分XP和KL、QB、LB、GL,提示XP与另外四个贵州猪种之间具有一定的遗传距离。对这些特有结构变异影响的基因进行功能注释,KL富集在ATP酶活性方面,LB主要富集于离子通道,QB富集在神经系统和谷氨酸通路,GL富集的条目主要与肌肉发育相关,而XP显著富集于繁殖、生长和脂肪合成相关的通路。同时香猪中鉴定出51个与生长发育相关的候选基因,包括APOD、INO80、IGF2BP3、GSK3B、AKT3和MEF2C等。这些特有结构变异对贵州猪种的生长繁殖力表型差异有一定影响,而且影响猪品种的进化过程。4.香猪高产仔数性状候选基因位点的鉴定利用比较基因组方法研究高产香猪组和低产香猪组之间结构变异的差异,从高产组鉴定出4637个特有结构变异覆盖1697个基因;低产组鉴定出4119个特有结构变异影响1582个基因。这些基因主要富集于发育和繁殖相关的通路。随机挑选50个结构变异进行群体检测,有14个结构变异与香猪产仔数相关,包括XPsv23253(ACSL3)、XPsv04986(TMEM131)、XPsv05574(ADCY3)、XPsv06937(HMGCS2)、XPsv14754(NAMPT)、XPsv02083(JAK2)、XPsv06229(RSPO2)、XPsv25406(LBP)、XPsv10370(LEXM)、XPsv12437(KLF3)、XPsv14802(PDIA4)、XPsv18294(SH3BP5)、XPsv26859(WNK3)和XPsv13280(STPG2);有3个结构变异(XPsv13280,XPsv10370和XPsv14802)DD缺失基因型产仔数低于II插入基因型,其余11个结构变异DD基因型产仔数高于II基因型。这14个结构变异可以作为香猪产仔数的候选分子标记。5.结构变异对PDAI4基因表达的影响利用重测序数据分析得到PDIA4基因内含子1(9:109266872-109267147)存在一个结构变异(XPsv14802),其中含有一个短散在元件(short interspersed element,SINE)。利用PCR和一代测序证实此结构变异真实存在。群体检测表明,SINE+/+基因型产仔数比SINE-/-基因型的产仔数高1.45头,与产仔数有一定的相关性(P=0.003)。利用软件Reg RNA2.0预测,此SINE元件包含外显子剪接增强子、外显子剪接沉默子、内含子剪接增强子等,表明此结构变异对PDIA4转录本的可变剪接可能有一定的影响。采用荧光定量PCR方法,比较不同基因型PDIA4在香猪卵巢中的m RNA表达水平,结果表明SINE-/-、SINE-/+基因型的表达水平明显高于SINE+/+基因型的表达水平;经Western Blot检测,SINE-/+、SINE-/-基因型的相对蛋白表达量也明显高于SINE+/+基因型(P0.05)。推测SINE元件的存在可能抑制PDIA4基因的转录过程,负调控基因PDIA4在猪卵巢中的表达,影响PDIA4蛋白的表达水平。上述结果表明PDIA4基因可以作为香猪产仔数的分子标记。综上,本研究利用二代测序技术对5个贵州地方猪品种进行全基因组测序,构建了贵州猪品种基因组结构变异图谱,确定了贵州猪品种基因组结构变异的染色体分布,鉴定出一些结构变异很有影响基因的功能元件。对产仔数相关的结构变异进行群体验证,获得14个结构变异可作为产仔数的候选分子标记。这些研究内容对贵州地方猪品种的遗传特征、品种的形成和进化等解析具有重要的意义。
【图文】：

产区,贵州,香猪,产仔数

种产区采取有效的保护措施，同时由于产区引入长白猪等外来猪种进行杂交，导致地方猪种数量减少。目前代表的贵州地方猪种有香猪、柯乐猪、黔北黑猪、江口萝卜猪和关岭猪（附图1；图1.1）。贵州地方猪种属于西南型猪，主要特点是肉质较好，抗逆性强，但其产仔数较低。

序列,结构变异,机制,复制叉

1.2.3.3 复制叉延迟和模板转换（fork stalling and template switching，FoSTeS）SNP芯片极大促进人们对结构变异的认识，但很多结构变异含有复杂的重排结构基于DNA重组的模型无法给予解释。因此，提出FoSTeS模型（图1.3c）来解释基因重排现象（Lee et al., 2007）。DNA复制叉受到阻止时，导致滞后链从模板上脱落，由微同源序列转移到另一个复制叉重新合成DNA。新的复制叉在复制起点的位置不同则可能导致发生缺失或者重复。此模型可以导致大片段结构变异的产生，引起基因水平或外显子的重排，在基因组进化中起重要的作用。微同源序列介导的断裂诱导复制模型（MMBIR）是一种类似于FoSTeS模型的机制，但是它需要微同源序列作为介导，将一段DNA的复制叉与另一段DNA双链断裂处形成新的复制叉并延伸复制，，从而形成一段新的序列，导致结构变异的形成（Zhang et al., 2009）。图1.3 结构变异的形成机制（Weischenfeldt et al.
【学位授予单位】：贵州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S828

【参考文献】