پویش کل ژنوم بر پایه روش آماری غنی‌سازی شبکه ژنی( آنالیز مسیر) مرتبط با تعداد بره متولد شده در هر زایش متعلق به گوسفند زندی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار گروه علوم دامی، دانشکده کشاورزی و محیط زیست، دانشگاه اراک، اراک، ایران

2 هیئت علمی گروه اصلاح دام دانشگاه تهران

3 استادیار گروه علوم دامی، پردیس کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران

چکیده

هدف: صفات تولیدمثل (مخصوصاً تعداد بره متولد شده در هر زایش) یکی از مهم­ترین صفات مهم اقتصادی در سیستم­های پرورش گوسفند می­باشد. پژوهش حاضر با هدف شناسایی مناطق ژنی، ژن­های کاندیدا و مسیرهای زیستی مؤثر بر تعداد بره متولد شده میش نژاد زندی بر اساس آنالیز غنی­سازی مجموعه‌­های ژنی بوده است.
مواد و روش‌ها: بدین منظور، میش­های با باروری بالا با حداقل یک رکورد دوقلوزایی و میش­های دیگر با تنها رکورد­های تک قلوزا با استفاده از آرایه­های 50K گوسفندی تعیین ژنوتیپ شدند. آنالیز پویش کل ژنومی بر پایه آنالیز مسیر در سه مرحله تعیین مکان SNPهای معنی­‌دار با ژن، ارتباط ژن‌­ها به طبقات عملکردی و مسیرهای بیوشیمیایی و پویش کل ژنومی بر پایه آنالیز مسیر انجام می‌­شود. بر این اساس، ارزیابی پویش ژنومی با استفاده از روش مورد-شاهدی در برنامه PLINK انجام شد. سپس با استفاده از بسته نرم افزاری biomaRt2 ژن­های معنی­داری شناسایی گردید. در نهایت، تفسیر مجموعه ژنی با بسته نرم افزاری goseq برنامه R با هدف شناسایی عملکرد بیولوژیکی ژن­‌های نزدیک به مناطق انتخابی و ژن‌­های کاندیدا از طریق پایگاه‌­های GO، KEGG، DAVID و PANTHER انجام شد.
نتایج: در این پژوهش، ژن­های AFP، FOXO3، ESR1، ESR2، RBP4، AURKA،DLG1 و ZGLP1 با تعداد بره متولد شده در هر زایش مرتبط بودند (05/0P <). در تحلیل غنی­سازی مجموعه­های ژنی، تعداد 11 مسیر با صفت تعداد نتاج در هر زایش مرتبط بودند. از بین مسیرهای زیستی شناسایی شده، مسیرهای Oocyte differentiation،Ovulation from ovarian follicle ، Estrogen signaling pathway و Positive regulation of peptide hormone secretion نقش مهمی در نرخ تخمک­ریزی و استروئیدوژنز تخمدانی داشتند.
نتیجه‌گیری: با توجه به تأیید مناطق قبلی پویش ژنومی صفت تعداد نتاج متولد شده در هر زایش، همچنین شناسایی مناطق ژنومی جدید، آنالیز غنی­سازی مجموعه­ی ژنی درک بهتری از کنترل ژنتیکی صفت تعداد نتاج متولد شده را نشان می­دهد. استفاده از نتایج این تحقیق می­تواند سبب تسریع در پیشرفت ژنتیکی برنامه­های اصلاح نژادی گوسفند شود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Genome-wide association study based on gene set enrichment method (pathway analysis) associated with litter size at birth in Zandi sheep

نویسندگان [English]

  • Hossein Mohammadi 1
  • Hossein Moradi shahrbabak 2
  • Amir Taheri-Yeganeh 3
1 Assistant Professor, Department of Animal Sciences, Faculty of Agriculture and Environmental Sciences, Arak University, Arak, Iran
3 Deputy of General Director of Animal Breeding Center and Production Improvement. Ministry of Agriculture of IRAN, Karaj, Iran
چکیده [English]

Objective
Reproductive traits (especially litter size at birth) is one of the most important economic traits in sheep breeding systems. The present study aimed to conduct a genome wide association studies based on Gene-set enrichment analysis for identifying the genomic region, candidate genes and biological pathways associated with Litter size in Zandi sheep breed.
 
Materials and Methods
Prolific ewes with at least one twining record and others with only singleton records were genotyped using the medium-density Illumina Ovine SNP50 array. The gene set analysis consists basically in three different steps: the assignment of SNPs to genes, the assignment of genes to functional categories, and finally the association analysis between each functional category and the phenotype of interest. Genome-wide association study for litter size evaluated using Plink software method case-control. Using the biomaRt2 R package the SNP were assigned to genes. Subsequently, gene enrichment analysis was performed with the goseq R package and bioinformatics analysis was implemented to identify the biological pathways performed in GO, KEEG, DAVID and PANTHER databases.
 
Results
We identified different sets of candidate genes related to litter size: AFP, FOXO3, ESR1, ESR2, RBP4, AURKA, DLG1 and ZGLP1 in Zandi sheep. According to pathway analysis, 11 pathways were associated with the litter size trait. Among biological pathways, the Oocyte differentiation, Ovulation from ovarian follicle, Estrogen signaling pathway and Positive regulation of peptide hormone secretion pathways have significant association with ovulation rate and ovarian steroidogenesis traits.
 
Conclusions
Considering, this study supported previous results from GWAS of  litter size, also revealed additional regions in the sheep genome associated with these economically important traits, presented here should be contribute to a better understanding of the genetic control of litter size in sheep and using these findings can accelerate the genetic progress in sheep breeding programs.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Biological pathways
  • Genome scan
  • Litter size
  • sheep
جعفری دره در امیر حسین، محمدآبادی محمدرضا، اسمعیلی زاده کشکوئیه علی، ریاحی مدوار علی (1395) بررسی بیان ژنCIB4  در بافت­های مختلف گوسفند کرمانی با استفاده از Real Time qPCR. مجله پژوهش در نشخوارکنندگان 4(4)، 132-119.
خلت آبادی فراهانی امیرحسین، محمدی حسین، مرادی محمد حسین (1399) تجزیه و تحلیل غنی­سازی مجموعه­های ژنی با استفاده از مطالعات پویش کل ژنومی جهت شناسایی ژن­ها و مسیرهای مرتبط با تعداد نتاج در نژادهای مختلف گوسفند. مجله تولیدات دامی 22(3)، 335-325.
محمدآبادی محمدرضا، کرد محبوبه، نظری محمود (1397) مطالعه بیان ژن لپتین در بافت‌های مختلف گوسفند کرمانی با استفاده از  Real Time PCR. مجله بیوتکنولوژی کشاورزی 10(3)، 123-111.
محمدی حسین، صادقی مصطفی (1389) برآورد پارامترهای ژنتیکی صفات رشد و تولیدمثل و روند ژنتیکی صفات رشد در گوسفند نژاد زل تحت سیستم روستائی. علوم دامی ایران 41(3)، 241-231.
محمدی­فر آمنه، محمدآبادی محمد رضا (1390) کاربرد نشانگرهای ریزماهواره برای مطالعه ژنوم گوسفند کرمانی. علوم دامی ایران 42­(4)، 344-337.
واجدابراهیمی محمدتقی، محمدآبادی محمدرضا، اسماعیلی زاده علی (1394) بررسی تنوع ژنتیکی پنج جمعیت گوسفند ایرانی با استفاده از نشانگرهای ریزماهواره­ای. مجله بیوتکنولوژی کشاورزی 7(4)، 158-143.
References
Ahsani MR, Bafti MS, Esmailizadeh AK, Mohammadabadi MR (2011) Genotyping of isolates of Clostridium perfringens from vaccinated and unvaccinated sheep. Small Rumin Res 95, 65-69.
Álvarez I, Fernández I, Traoré A, et al. (2020) Genomic scan of selective sweeps in Djallonké (West African Dwarf) sheep shed light on adaptation to harsh environments. Sci Rep 10(1), 2824. 
Amiri Roudbar M, Mohammadabadi MR, Mehrgardi AA, Abdollahi-Arpanahi A (2017) Estimates of variance components due to parent-of-origin effects for body weight in Iran-Black sheep. Small Rum Res 149, 1-5
Amiri Roudbar M, Abdollahi-Arpanahi R, Ayatollahi Mehrgardi A, et al. (2018) Estimation of the variance due to parent-of-origin effects for productive and reproductive traits in Lori-Bakhtiari sheep. Small Rumin Res 160, 95-102.
Chang CC, Chow CC, Tellier LCAM, et al. (2015) Second-generation PLINK: rising to the challenge of larger and richer datasets. Giga Sci 4(7), 1–16.
Durinck S, Spellman PT, Birney E, Huber W (2009) Mapping identifiers for the integration of genomic datasets with the R/bioconductor package biomaRt. Nat Protocol 4, 1184–1191.
Esmaeili-Fard SM, Gholizadeh M, Hafezian SH, Abdollahi-Arpanahi R (2021) Genome-wide association study and pathway analysis identify NTRK2 as a novel candidate gene for litter size in sheep. PLoS One 16(1), e0244408.
Ghiasi H, Abdollahi-Arpanahi R (2021) The candidate genes and pathways affecting litter size in sheep. Small Rumin Res 205, 106546.
Ghotbaldini H, Mohammadabadi MR, Nezamabadi-pour H, et al. (2019). Predicting breeding value of body weight at 6-month age using Artificial Neural Networks in Kermani sheep breed. Acta Scientiarum. Anim Sci 41, e45282.
Hernández-Montiel W, Martínez-Núñez MA, Ramón-Ugalde JP, et al. (2020) Genome-Wide Association Study Reveals Candidate Genes for Litter Size Traits in Pelibuey Sheep. Animals (Basel) 10(3), 434. 
Hinrichs AL, Larkin EK, Suarez BK (2009) Population Stratification and Patterns of Linkage Disequilibrium. Genet Epidemiol 33, 88-92.
Jafari Darehdor AH, Mohammadabadi MR, Esmailizadeh A, Riahi Madvar A (2016) Inve stigating expression of CIB4 gene in different tissues of Kermani Sheep using Real Time q PCR. J Rumin Res 4 (4), 119-132 (In Persian).
Johnston SE, McEwan JC, Pickering NK, et al. (2011) Genome-wide association mapping identifies the genetic basis of discrete and quantitative variation in sexual weaponry in a wild sheep population. Mol Ecology 20, 2555–2566.
Khaltabadi Farahani AH, Mohammadi H, Moradi MH (2020) Gene set enrichment analysis using genome-wide association study to identify genes and pathways associated with litter size in various sheep breeds. Anim prod 22 (3), 325-335 (In Persian)
Masoudzadeh SH, Mohammadabadi M, Khezri A, et al. (2020a) Effects of diets with different levels of fennel (Foeniculum vulgare) seed powder on DLK1 gene expression in brain, adipose tissue, femur muscle and rumen of Kermani lambs. Small Rumin Res 193, e106276.
Masoudzadeh SH, Mohammadabadi MR, Khezri A, et al. (2020b) Dlk1 Gene Expression in Different Tissues of Lamb. Iran J Appl Anim Sci 10 (4), 669-677. 
Mencik S, Vukovic V, Spehar M, et al. (2019) Association between ESR1 and RBP4 genes and litter size traits in a hyperprolific line of Landrace × Large White cross sows. Veterinarni Medicina 64(03), 109–117.
Mohammadabadi M.R. (2016). Inter-Simple Sequence Repeat Loci associations with predicted breeding values of body weight in Kermani sheep. Genet 3rd Millennium 14, 4383-4390.
Mohammadabadi MR (2020a) Expression of ESR1 gene in Raini Cashmere goat using Real Time PCR. Agric Biotechnol J 12(1), 177-192. (In Persian)
Mohammadabadi MR (2020b) Tissue-specific mRNA expression profile of ESR2 gene in goat. Agric Biotechnol J 12 (4), 169-184. (In Persian)
Mohammadabadi MR, Esfandyarpoor E, Mousapour A (2017) Using Inter Simple Sequence Repeat Multi-Loci Markers for Studying Genetic Diversity in Kermani Sheep. J Res Develop 5 (2), e154.
Mohammadabadi MR, Kord M, Nazari M (2018) Studying expression of leptin gene in different tissues of Kermani Sheep using Real Time PCR. Agric Biotechnol J 10 (3), 111-122 (In Persian).
Mohammadi H, Sadeghi, M (2010) Estimation of Genetic Parameters for Growth and Reproduction Traits and Genetic Trends of Growth Traits in Zel Sheep Breed under Rural Production System. Iran J Anim Sci 41(3), 231-241. (In Persian)
Mohammadifar A, Mohammadabadi MR (2011) Application of Microsatellite Markers for a Study of Kermani Sheep Genome. Iran J Anim Sci 42 (4), 337-344. (In Persian)
Mooney MA Wilmot B (2015) Gene Set Analysis: A Step-By-Step Guide. American Journal of Medical Genetics Part B: Neuropsychiatric Genetics 168, 517-527.
Peng G, Luo L, Siu H (2010) Gene and pathway-based second wave analysis of genome-wide association studies. Eur J Hum Genet 18, 111–117.
Smith P, Juengel J, Maclean P, et al. (2019) Gestational nutrition 2: gene expression in sheep fetal ovaries exposed to gestational under nutrition. Reproduction 157(1), 13-25.
Vajed Ebrahimi MT, Mohammad Abadi MR, Esmailizadeh AK (2016) Analysis of genetic diversity in five Iranian sheep population using microsatellites markers. Agric Biotechnol J 7 (4), 143-158 (In Persian).
Wang K, Liu X, Qi T, et al. (2021) Whole-genome sequencing to identify candidate genes for litter size and to uncover the variant function in goats (Capra hircus). Genomics 13(1), 142-150.
Wang L, Jia P, Wolfinger RD (2011) Gene set analysis of genome-wide association studies: Methodological issues and perspectives. Genomics 98, 1–8.
Wu P, Yang Q, Wang K, et al. (2018) Single step genome-wide association studies based on genotyping by sequence data reveals novel loci for the litter traits of domestic pigs. Genomics 10(3), 171-179. 
Young MD, Wakefield MJ, Smyth GK, Oshlack A (2010) Method gene ontology analysis for RNA-seq: Accounting for selection bias. Genome Biology 11, 14-23.