بازسازی، آنالیز و مقایسه توپولوژی شبکه‌های ژنی مبتنی برداده‌های RNA-Seq دخیل در صفات چند فاکتوره تولید مثلی و باروری

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکترا، بخش علوم دامی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران

2 نویسنده مسئول، استاد، بخش علوم دامی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران

3 استادیار، گروه زراعت و اصلاح نباتات، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهید باهنر کرمان، کرمان، ایران

چکیده

هدف: علیرغم اهمیت باروری در گونه­های مختلف، موفقیت­های کمی در فهم اساس باروری از منظر لایه‌های مختلف OMICS به دست آمده است. برای فهم بهتر اساس مولکولی باروری، نیم‌رخ ترانسکریپتوم بافت­های مختلف در گاو مورد بررسی قرار گرفت.
مواد و روش­ها: بافت­های کبد، عضله، اندومتریوم و جسم زرد در گاوهایی با شایستگی ژنتیکی بالا و پایین در صفات تولیدمثلی با استفاده از داده‌های RNA-Seq مورد پژوهش قرار گرفت. در ابتدا فهرست ژن های مربوط به جسم زرد که تفاوت بیانی داشتند تهیه و در ادامه شبکه هم بیان ژنی برای این فهرست ژنی ایجاد شد.
نتایج: تعداد ژن های محدودی در بافت­های کبد، عضله و اندومتریوم تفاوت بیان نشان دادند ولی در مقابل تعداد قابل توجهی ژن در جسم زرد تفاوت بیانی از خود نشان دادند. بر این اساس،. تعداد 264 ژن و 6 ماژول عملکردی بعد از طبقه بندی ژن ها برای جسم زرد شناسایی شد. همه این ژن ها حداقل در یکی از فرآیندهای زیستی از قبیل پروتئولایسیز، سازماندهی آکتین، پاسخ ایمنی،  چسبندگی سلولی، تمایز سلولی و متابولیک چربی نقش داشتند(p<0.01).
نتیجه­گیری: شناسایی ژن ها و بازسازی شبکه های تنظیمی می­تواند افق جدیدی در راستای فهم چگونگی سازو کار فرآیندهای زیستی باز کند. همچنین این پژوهش فهم ما را در نقش بافت­های مختلف روی باروری در گاوهای شیری را نشان می دهد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Reconstruction, analysis and comparison of gene networks topology based on RNA-Seq data involved in reproductive and fertility complex traits.

نویسندگان [English]

  • Amin Shahabi 1
  • Mojtaba Tahmoorespour 2
  • Ali Kazemipour 3
1 Department of Animal Science, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran
2 Department of Animal Science, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran
3 Assistant Professor, Shahid Bahonar University of Kerman, Iran.
چکیده [English]

Objective
 In spite of the importance of fertility in different species, there has been little success dissecting the levels of OMICS. To better understand the molecular basis of fertility, we study transcriptome profiling of different tissues.
 
Materials and methods
 liver, muscle, endometrium and corpus luteum tissues between cows with either good or poor genetic merit for fertility using RNA-Seq data sets. We first compiled a master list of genes related to corpus luteum that change with level of fertility and then reconstructed the network.
 
Results
A few genes were identified in liver, muscle and endometrium between high and low fertile cows but in corpus luteum circumstance was different. 264 genes and 6 key modules were disclosed through clustering for mRNA master list for corpus luteum. All these genes, being involved in at least one of the biological process, namely proteolysis, actin cytoskeleton organization, immune system process, biological adhesion, cell differentiation and lipid metabolic process, have an overexpression pattern (P < 0.01).
Conclusions
Finally, the identification of genes and the construction of their regulatory networks may give new insights into biological procedures. As well as, this study increases our understanding of the contribution of different tissues transcriptome to phenotypic fertility in dairy cattle.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Fertility
  • Transcriptome
  • Co-expression gene network
  • Reconstruction of gene networks
پسندیده مجید، خراتی کوپایی حامد، محمدآبادی محمدرضا، اسماعیلی زاده کشکوئیه علی (1395) ارتباط آلل‏های ژن‏های OPN و PPARGC1A با تعداد سلول‏های بدنی شیر در گاوهای هلشتاین ایران. مجله ژنتیک نوین 11(3)، 365-357.
توحیدی نژاد فاطمه، محمدآبادی محمدرضا، اسمعیلی زاده کشکوئیه علی، نجمی نوری عذرا (1393) مقایسه سطوح مختلف بیان ژنRheb  در بافت های مختلف بز کرکی راینی. مجله بیوتکنولوژی کشاورزی 6(4)، 50-35.
جعفری دره در امیر حسین، محمدآبادی محمدرضا، اسمعیلی زاده کشکوئیه علی، ریاحی مدوار علی (1395) بررسی بیان ژن CIB4  در بافت­های مختلف گوسفند کرمانی با استفاده از Real Time qPCR. مجله پژوهش در نشخوارکنندگان 4(4)، 132-119.
خراتی کوپایی حامد، محمدآبادی محمدرضا، انصاری مهیاری سعید، اسماعیلی زاده کشکوئیه علی، ترنگ علیرضا، نیکبختی مهدی (1390) بررسی تنوع ژنتیکی جایگاه ژن DGAT1 و میزان ارتباط آن با تولید شیر در جمعیت گاو های هلشتاین ایران.مجله پژوهش­های علوم دامی ایران 3(2)، 192-185.  
خراتی کوپایی حامد، محمدآبادی محمدرضا، ترنگ علیرضا، خراتی کوپایی محمود، اسماعیلی زاده کشکوئیه علی (1391) بررسی ارتباط چند شکلی آللی ژن DGAT با بیماری ورم پستان در جمعیت گاوهای هلشتاین ایران. مجله ژنتیک نوین 7(1)، 104-101.
محمدآبادی محمدرضا، محمدی اکرم (1389) بررسی ژنوتیپ های بتالاکتوگلوبولین در گاوهای بومی و هلشتاین استان کرمان. مجله تولیدات دامی 12(2)، 67-61.
 
Reference
Alinaghizadeh R, Mohammad Abadi MR, Moradnasab Badrabadi S (2007) Kappa-casein gene study in Iranian Sistani cattle breed (Bosindicus) using PCR-RFLP. Pak J Biol Sci, 10, 4291-4294.
Askari N, Mohammadabadi MR, Baghizadeh A (2011) ISSR markers for assessing DNA polymorphism and genetic characterization of cattle, goat and sheep populations. Iran J Biotechnol 9, 222-229.
Bader GD, Hogue CW (2003) An automated method for finding molecular complexes in large protein interaction networks. BMC Bioinformat4, 1-10,
Bahrami A, Miraie-Ashtiani SR, Sadeghi M, Najafi A (2017) miRNA-mRNA network involved in folliculogenesis interactome: systems biology approach. Reproduction 154, 51-65.
Bansal M, Belcastro V, Ambesi-Impiombato A, Di Bernardo D (2007) How to infer gene networks from expression profiles. Mol System Biol 3, 78-87.
Bao B, Garverick HA (1998) Expression of steroidogenic enzyme and gonadotropin receptor genes in bovine follicles during ovarian follicular waves: a review. J Anim Sci 76, 1903–1921.
Barazandeh A, Mohammadabadi MR, Ghaderi M, Nezamabadipour H (2016) Predicting CpG Islands and Their Relationship with Genomic Feature in Cattle by Hidden Markov Model Algorithm. Iran J App Anim Sci 6, 571-579.
Barbat, A, Le Mézec P, Ducrocq S, Humblot P (2010) Female fertility in French dairy breeds: Current situation and strategies for improvement. J Reprod and Devel 56, S15–S21.
Barrett T, Wilhite SE, Ledoux P et al. (2013) NCBI GEO: archive for functional genomics data sets—update. Nucleic Acids Research41, 991–995.
Basso K, Saito M, Sumazin P et al. (2010) Integrated biochemical and computational approach identifies BCL6 direct target genes controlling multiple pathways in normal germinal center B cells. Blood, 115, 975e984.
Blais A, Dynlacht BD (2005) Constructing transcriptional regulatory networks. Genes and Development, 19,1499e1511.
Bolger AM, Lohse M, Usadel B (2014) Trimmomatic: a flexible trimmer for Illumina sequence data. Bioinformatics30, 2114–2120.
Bugrim A, Nikolskaya T, Nikolsky Y (2004) Early prediction of drug metabolism and toxicity: systems biology approach and modeling. Drug Dis Tod 9, 127–135.
Chatr-Aryamontri A, Breitkreutz BJ, Heinicke S et al. (2013) The BioGRID interaction database: 2013 update. Nucleic Acids Research41, 816–823.
Chen L, Li W, Zhang L et al. (2011) Disease gene interaction pathways: a potential framework for how disease genes associate by disease-risk modules. PLoS One 6, e24495.
Ebrahimi Z, Mohammadabadi MR, Esmailizadeh AK et al. (2015a) Association of PIT1 gene with milk fat percentage in Holstein cattle. Iran J Appl Anim Sci 5, 575-582.
Ebrahimi Z, Mohammadabadi MR, Esmailizadeh AK, Khezri A (2015b) Association of PIT1 gene and milk protein percentage in Holstein cattle. J Livest Sci Technol 3, 41-49.
Emmert-Streib F, de Matos Simoes R, Mullan P et al. (2014) The gene regulatory network for breast cancer: integrated regulatory landscape of cancer hallmarks. Frontiers in Genet 5, 15.
Forde N, Mehta J, McGettigan P et al. (2013) Alterations in expression of endometrial genes coding for proteins secreted into the uterine lumen during conceptus elongation in cattle. BMC Genom 14, 321.
Forde N, McGettigan PA, Mehta JP et al. (2014) Proteomic analysis of uterine fluid during the pre-implantation period of pregnancy in cattle. Reproduction 147, 575–587.
Forde N, Simintiras CA, Sturmey R et al. (2014) Amino acids in the uterine luminal fluid reflects the temporal changes in transporter expression in the endometrium and conceptus during early pregnancy in cattle. PLoS One 9, e100010.
Ghasemi M, Baghizadeh A, Abadi MRM (2010) Determination of genetic polymorphism in Kerman Holstein and Jersey cattle population using ISSR markers. Aust J Basic Appl Sci 4, 5758-5760.
Hayashi K-G, Ushizawa K, Hosoe M, Takahashi T (2010) Differential genome wide gene expression profiling of bovine largest and second-largest follicles: identification of genes associated with growth of dominant follicles. Reprod Biol Endo 8, 11.
Jafari Darehdor AH, Mohammadabadi MR, Esmailizadeh AK, Riahi Madvar A (2016) Investigating expression of CIB4 gene in different tissues of Kermani Sheep using Real Time qPCR. J Rumin Res 4, 119-132 (In Persian).
Javanmard A, Mohammadabadi MR, Zarrigabayi GE et al. (2008) Polymorphism within the intron region of the bovine leptin gene in Iranian Sarabi cattle (Iranian Bos taurus). Russ J Genet 44, 495-497.
Kann MG (2007) Protein interactions and disease: computational approaches to uncover the etiology of diseases. Brief Bioinformatics 8, 333–346.
Kolesnikov N, Hastings E, Keays M et al. (2015) Array Express update—simplifying data submissions. Nucleic Acids Res43, 1113–1116.
Kharrati Koopaei H, Mohammad Abadi MR, Ansari Mahyari S et al. (2012a) Effect of DGAT1 variants on milk composition traits in Iranian Holstein cattle population. Anim Sci Papers Report 30, 231-240.
Kharrati Koopaei H, Mohammadabadi MR, Ansari Mehyari S et al. (2011) Genetic Variation of DGAT1 Gene and its Association with Milk Production in Iranian Holstein Cattle Breed Population. Iran J Anim Sci Res 3, 185-192 (In Persian).
Kharrati koopaei H, Mohammadabadi MR, Tarang A et al. (2012b) Study of the association between the allelic variations in DGAT1 gene with mastitis in Iranian Holstein cattle. Modern Genet J 7, 101-104 (In Persian).
Kim D, Pertea G, Trapnell C et al. (2013) TopHat2: accurate alignment of transcriptomes in the presence of insertions, deletions and gene fusions. Gen Biol14, 36.
Lucy MC (2001) Reproductive loss in high-producing dairy cattle: Where will it end?. J Dairy Sci 84, 1277–1293.
Mohammad Abadi MR, Mohammadi A (2010) Study of beta-lactoglobulin genotypes in native and Holstein cattle of Kerman province. J Anim Prod 12, 61-67 (in Persian).
Mohammadabadi M R, Shaikhaev GO, Sulimova GE et al. (2004) Detection of bovine leukemia virus proviral DNA in Yaroslavsl, Mongolian and black pied cattle by PCR. Cell Mol Biol Letter 9, 766-768.
Mohammadabadi MR, Jafari AHD, Bordbar F (2017) Molecular analysis of CIB4 gene and protein in Kermani sheep. Brazil J Med Biol Res 50, e6177.
Mohammadabadi MR, Kovalenko TA, Nasiri MR, Sulimova GE (2005) inter-Simple-Sequence Repeat (ISSR)-PCR for the identification of polymorphism in some native cattle breeds. Proceeding of the 3rd Moscow international congress: Biotechnology: state of the art and prospects of development, Moscow, Russia.
Mohammadabadi MR, Soflaei M, Mostafavi H, Honarmand M (2011) Using PCR for early diagnosis of bovine leukemia virus infection in some native cattle. Genet Mol Res 10, 2658-2663.
Mohammadabadi MR, Tohidinejad F (2017) Charachteristics determination of Rheb gene and protein in Raini Cashmere goat. Iran J Appl Anim Sci 7, 289-295.
Moore SG, Pryce JE, Hayes BJ, Chamberlain AJ (2016) Differentially Expressed Genes in Endometrium and Corpus Luteum of Holstein Cows Selected for High and Low Fertility Are Enriched for Sequence Variants Associated with Fertility. Biol Reprod 94(1), 19.
Moran B, Cummins SB, Creevey CJ, Butler ST (2016) Transcriptomics of liver and muscle in Holstein cows genetically divergent for fertility highlight differences in nutrient partitioning and inflammation processes. BMC Gen 17, 603.
Moran B, Butler ST, Moore SG, MacHugh DE (2015) Differential gene expression in the endometrium reveals cytoskeletal and immunological genes in lactating dairy cows genetically divergent for fertility traits. Reprod Fert Devel 25.
Mostafavi S, Ray D, Warde-Farley D et al. (2008) GeneMANIA: a real-time multiple association network integration algorithm for predicting gene function. Gen Biol1, 4.
Nepusz T, Yu H, Paccanaro A (2012) Detecting overlapping protein complexes in protein-protein interaction networks. Nat Meth9, 471–472.
Pasandideh M, Kharrati Koopaee H, Mohammad Abadi MR, Esmailizadeh Koshkoiyeh A (2016) Association of the OPN and PPARGC1A Alleles with Milk Somatic Cell Count in Iranian Holstein cattle. Modern Genet J 11, 357-365 (In Persian).
Pasandideh M, Mohammadabadi MR, Esmailizadeh AK, Tarang A (2015) Association of bovine PPARGC1A and OPN genes with milk production and composition in Holstein cattle. Czech J Anim Sci 60, 97-104.
Robinson RS, Woad KJ, Hunter MG et al. (2014) Corpus luteum development and angiogenesis. In: Juengel JL, Miyamoto A, Price C, Reynolds LP, Smith MF, Webb R (eds.), Reproduction in Domestic Ruminants VIII. London: Soc Reprod Fert 1, 327–343.
Robinson M, McCarthy D, Smyth G (2010) edgeR: a Bioconductor package for differential expression analysis of digital gene expression data. Bioinformatics 26, 139–140.
Ruzina MN, Shtyfurko TA, Mohammadabadi MR et al. (2010) Polymorphism of the BoLA-DRB3 gene in the Mongolian, Kalmyk, and Yakut cattle breeds. Russ J genet 46, 456-463.
Sulimova GE, Abani MA, Rostamzadeh J et al. (2007) Allelic polymorphism of kappa-casein gene (CSN3) in Russian cattle breeds and its informative value as a genetic marker. Russ J Genet 43, 88-95.
Tohidi nezhad F, Mohammadabadi MR, Esmailizadeh AK, Najmi Noori A (2015) Comparison of different levels of Rheb gene expression in different tissues of Raini Cashmir goat. Agric Biotechnol J 6, 35-50 (In Persian).
Trapnell C, Williams BA, Pertea G et al. (2010) Transcript assembly and quantification by RNA-Seq reveals unannotated transcripts and isoform switching during cell differentiation. Nat Biotech28, 511–515.
Vitt U, Hayashi M, Klein C, Hsueh A (2000) Growth differentiation factor-9 stimulates proliferation but suppresses the follicle-stimulating hormone-induced differentiation of cultured granulosa cells from small antral and preovulatory rat follicles. Biol Reprod 62, 370–377.
Walsh SW, Williams EJ, Evans ACO (2011) A review of the causes of poor fertility in high milk producing dairy cows. Anim Reprod Sci 123, 127–138.