Y染色体多态性与公牛父系起源及繁殖性状的关系研究

发布时间：2020-07-25 10:11

【摘要】：中国黄牛种质资源丰富,起源多元,阐明中国地方黄牛品种的遗传多样性和起源进化,对加强黄牛遗传资源保护和开发利用至关重要。哺乳动物Y染色体为限雄遗传,其包含的遗传信息是研究动物父系遗传多样性和起源进化的理想工具。大量研究证实Y染色体雄性特异区中的基因在动物睾丸组织中呈现特异性表达,暗示Y染色体基因对精子发生和睾丸发育起重要调控作用,并能筛选与公牛繁殖性状显著相关的分子标记。因此,本研究以牛Y染色体为研究对象,开展了三方面的研究:(1)在Y染色体单拷贝基因ZFY(Zinc finger protein,Y-linked)和USP9Y(Ubiquitin specific peptidase 9,Y-linked)上设计雄性特异性引物,采用PCR扩增、DNA混合池测序和PCR-RFLP(Restriction fragment length polymorphism)等方法,结合前人发现的2个Y染色体分子标记和本研究新鉴定的3个Y-SNPs对22个品种共421头公牛的父系遗传多样性和起源进化进行分析;(2)利用qPCR技术检测21个品种共715头公牛ZNF280AY(Zinc finger protein280A,Y-linked)的拷贝数变异(Copy number variation,CNV),并将CNV与荷斯坦公牛及西门塔尔公牛的繁殖性状做相关性分析;(3)基于全基因组重测序技术检测高、低繁殖力西门塔尔公牛Y染色体单拷贝基因区中的SNPs,鉴定Y-SNPs并构建Y染色体单倍型,研究其与西门塔尔公牛繁殖性状的相关性。主要研究结果如下:(1)在ZFY和USP9Y上设计的60对引物中有42对被鉴定为雄性特异性扩增,混合池测序共鉴定得到24个SNPs。利用PCR-RFLP技术对其中的3个SNPs进行基因分型,并联合之前鉴定得到的Y染色体单倍型进行分析发现国外牛品种的Y染色体单倍型单一,而国内黄牛品种的Y染色体单倍型多样,且Y染色体单倍型的分布具有明显的地理特征,其中北方黄牛品种以Y2单倍型为主,南方黄牛品种以Y3单倍型为主,Y2和Y3单倍型混合存在于中原地区的黄牛品种中,并首次在南方黄牛中检测到Y1单倍型。(2)本研究利用qPCR分析了21个品种共715头公牛ZNF280AY的CNV。结果表明,ZNF280AY中值拷贝数为47,其拷贝数在品种内及品种间都存在显著差异,变异范围为11-154。Y3单倍型公牛的ZNF280AY中值拷贝数显著高于Y1和Y2单倍型公牛(P0.001)。性状关联分析结果表明其CNV与荷斯坦公牛精液的正常精子比例(r=-0.206,P=0.008)及精子密度(r=-0.148,P=0.042)呈显著负相关,而与射精量、总精子数、精子活力、解冻后精子活力和阴囊围均无显著相关。(3)对30头西门塔尔公牛(16头低繁殖力和14头高繁殖力)进行全基因组重测序分析。在Y染色体单拷贝基因区中检测到504个SNPs,在UTY中注释到最多的SNPs。以504个Y-SNPs共构建了7种Y染色体单倍型,并且发现单倍型H4为低繁殖力西门塔尔公牛所特有。通过对牛Y染色体多态性的综合分析,本研究发现中国地方黄牛品种具有多样的Y染色体单倍型,为牛种遗传资源的开发利用与保护提供理论依据;ZNF280AY的CNV与荷斯坦公牛精液的精子密度及正常精子比例呈显著负相关,Y染色体单倍型与西门塔尔公牛的精液质量密切相关,暗示它们能够作为有利的分子标记用于高繁殖力公牛的早期选育。
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S823
【图文】：

人类Y染色体,基因组结构

为两大类：一类在整个机体组织中广泛表达；而另一类在睾丸组织中特异性或唯一性的表达。近乎所有真染色质的 MSY 序列被分为三类：X 转位区、X 退化区和 Y 扩增区（图 1-1）。X 转位区形成于~3-4 百万年前，在人类和黑猩猩系谱分化之后，大量的 X 染色体序列转位到 Y 染色体上形成了 X 转位区，X 转位区具有最低的基因密度，仅鉴定得到 2 个基因；X 退化区由 27 个 X 连锁的单拷贝基因和假基因同源序列组成，这些基因和序列在 X 染色体上都具有与其相对应的同源序列，序列相似度达 60-96%。除 SRY（Sex-determining region of the Ychromosome）在睾丸组织中特异性表达外，其余的单拷贝基因均在机体各组织中广泛表达。这些基因也被认为是祖先性染色体上幸存的活化石，可以用来研究物种的父系遗传多样性、起源进化、迁徙路线等；Y 扩增区由扩增子片段构成，其序列具有非常高的序列相似性（> 99.9%），Y 扩增区中共鉴定得到 9 个蛋白编码基因家族，其中 VCY、XKRY、HSFY、PRY 为两个拷贝，BPY2 为三个拷贝，CDY、DAZ 为四个拷贝，RBMY 为六个拷贝，TSPY 为 35 个拷贝，这些多拷贝基因在睾丸组织中特异性的表达，暗示它们对男性的生殖健康起重要作用。

黑猩猩,Y染色体,恒河猴,小鼠

兰州大学硕士学位论文 Y 染色体多态性与公牛父系起源及繁殖性状的关系研究基因，比灵长类 Y 染色体经历了更加严重的基因退化。小鼠 Y 染色体长臂部分由大量扩增的获得基因构成，其基本结构为三个核心序列模块组成长约 500 Kb的扩增单元，这个扩增单元被扩增了近 200 次并最终形成小鼠 Y 染色体的长臂。同时发现这些Y染色体上的扩增序列在小鼠的X染色体上同样获得了大量扩增，形成相对应的副本。这些 Y 染色体获得基因及其 X 染色体中的对应副本都在睾丸组织中特异性表达，暗示小鼠性染色体上的获得基因在雄性生殖细胞发生进程中扮演重要角色[28]。小鼠 MSY 序列的测定扩展了研究者对哺乳动物 Y 染色体结构和基因含量的认识，有助于进一步研究 Y 染色体进化的驱动力和在精子发生及睾丸发育方面扮演的重要角色[37]。

转录组,多拷贝

兰州大学硕士学位论文 Y 染色体多态性与公牛父系起源及繁殖性状的关系研究5 Mb，由多拷贝基因 TSPY 和 PRAMEY 组成，其拷贝数分别为 19 和 10。另外，上百个牛特异性的转录单元（Transcript units，TUs）被鉴定出来，包括 46 个单拷贝基因和 339 个多拷贝 TUs，其中 10 个多拷贝 TUs 具有蛋白编码功能，其拷贝数在 2-174 之间变化，其余的 TUs 全部为非编码 RNA（noncoding RNAs，ncRNA）[35]。

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