Die Genomlandschaft indigener afrikanischer Rinder

Sequenzierung, Assemblierung und Identifizierung von Einzelnukleotid-Polymorphismen

Individuelle Genome von 48 indigenen afrikanischen Rindern (Boran, Ogaden, Kenana, Ankole und N’Dama) wurden mit einer Abdeckung von jeweils ~11 X generiert und gemeinsam mit öffentlich zugänglichen Genomen kommerzieller Rinderrassen (Angus, Jersey, Holstein und Hanwoo) genotypisiert (Abb. 1a, Zusatzdatei 1: Anmerkung S1, Tabelle S1). Diese Rassen umfassen Bos indicus (Boran, Ogaden und Kenana), afrikanisches Bos taurus (N’Dama), europäisch-asiatisches Bos taurus und Sanga (Ankole, Kreuzung zwischen Taurin und Zebu). Insgesamt wurden 6,50 Milliarden Reads oder ~644 Gbp an Sequenzen erzeugt. Mit Bowtie 2 wurden die Reads an der Taurin-Referenzgenomsequenz UMD 3.1 mit einer durchschnittlichen Alignment-Rate von 98,84 % ausgerichtet, die 98,56 % des Referenzgenoms abdeckte (Additional file 1: Table S2). In Übereinstimmung mit früheren Analysen von Zebu Nellore wurde festgestellt, dass die Gesamt-Alignment-Rate der afrikanischen B. indicus-Proben zum Referenzgenom UMD 3.1 mit der für die afrikanischen Taurin-Proben erzielten Rate vergleichbar ist (Zusätzliche Datei 1: Tabelle S2). Nach dem Filtern der potenziellen PCR-Duplikate und der Korrektur von Fehlausrichtungen aufgrund des Vorhandenseins von INDELs haben wir mit GATK 3.1 Einzelnukleotid-Polymorphismen (SNPs) nachgewiesen. Vor der Verwendung von SNP-Kandidaten in weiteren Analysen wurden mehrere Filterschritte durchgeführt, um die Anzahl der falsch-positiven Calls zu minimieren. Insbesondere wurden SNPs anhand der folgenden Kriterien entfernt: phred-skalierter Qualitätsscore, Kartierungsqualität, Qualitätstiefe und phred-skalierter P-Wert (siehe „Methoden“). Insgesamt wurden ~37 Millionen SNPs beibehalten und rassespezifische SNPs wurden mit SnpSift identifiziert (Abb. 1b, Additional file 1: Table S3). Die genomische DNA von 45 afrikanischen Proben wurde zusätzlich mit dem BovineSNP50 Genotyping BeadChip (Illumina, Inc.) genotypisiert, um die Genauigkeit des SNP-Calling aus den Resequenzierungsdaten zu bewerten. Wir beobachteten eine Gesamtübereinstimmung von ca. 95 % der Genotypen zwischen den BovineSNP50 Genotyping BeadChip SNPs und den Resequenzierungsergebnissen in allen Proben, was die Genauigkeit des SNP-Calling bestätigt (Additional file 1: Tabelle S4).

Diversität und Beziehungen im afrikanischen Genom

Einzel-Nukleotid-Polymorphismen

Abbildung 1b zeigt die Anzahl der SNPs, die in jeder Rasse vorhanden sind, einschließlich rassespezifischer SNPs (siehe Additional file 1: Tabelle S5). Betrachtet man die verschiedenen Rinderlinien, so findet sich die größte Anzahl von SNPs bei den Zebu-Rindern (Boran, Kenana, Ogaden), wo die große Mehrheit der SNPs bei allen drei Rassen homozygot ist, was für afrikanische Zebu-Linien spezifische Varianten darstellt. Die meisten SNPs (65,13 %) befanden sich in intergenischen Regionen. Die restlichen SNPs befanden sich stromaufwärts (3,90 %) und stromabwärts (3,96 %) des offenen Leserahmens, in Introns (26,0 %) und in untranslatierten Regionen (UTRs, 0,240 %). Exons enthielten 0,69 % der gesamten SNPs mit 115.439 Missense- und 1336 Nonsense-Mutationen (Additional file 1: Table S5).

Die Nukleotiddiversität misst den Grad des Polymorphismus innerhalb einer Population und ist definiert als die durchschnittliche Anzahl der Nukleotidunterschiede pro Stelle zwischen zwei beliebigen DNA-Sequenzen, die zufällig aus der Probenpopulation ausgewählt wurden. Auf einer genomweiten Fensterskala von 10 Mb weisen die kommerziellen europäischen Rassen im Vergleich zu allen einheimischen afrikanischen Rassen eine geringere Nukleotiddiversität auf (Abb. 2d). In diesem Fall ist die geringere Nukleotidvielfalt auf der Ebene des gesamten Genoms zu erwarten und wahrscheinlich das Ergebnis intensiver künstlicher Selektion über Generationen und/oder genetischer Drift, gefolgt von einer demografischen Entwicklung, die durch eine geringe effektive Populationsgröße gekennzeichnet ist. Interessanterweise weisen die N’Dama auch eine relativ geringe genetische Vielfalt auf, was möglicherweise das Erbe einer ursprünglich geringen effektiven Populationsgröße und/oder eines Populationsengpasses infolge von Krankheitsherausforderungen ist. Die Nukleotidvielfalt ist bei den afrikanischen Zebu (Boran, Ogaden, Kenana) und den Ankole Sanga am höchsten. Dabei handelt es sich um gemischte Taurin-Zebu-Rassen mit einer relativ großen effektiven Populationsgröße. Die relativ hohe Nukleotiddiversität der kommerziellen Hanwoo-Rasse spiegelt möglicherweise eine schwächere, gezielte und kürzere Selektionsgeschichte im Vergleich zu anderen kommerziellen Rassen wider.

Populationsstruktur und Beziehungen

Wir führten eine Hauptkomponentenanalyse (PCA) der autosomalen SNP-Genotypdaten (Abb. 2a) mit EIGENSTRAT durch. Die Analyse ignoriert die Rassezugehörigkeit, zeigt aber dennoch klare Rassenstrukturen, da Proben derselben Rasse zusammen geclustert werden. Die ersten beiden PCs, die 16,0 % bzw. 3,4 % der Gesamtvariation erklären, trennen afrikanische von nicht-afrikanischen Rassen, wobei das Ankole-Rind eine Zwischenposition einnimmt. PCA, die auf afrikanischen, kommerziellen und Taurin-Proben separat basiert (Additional file 1: Figure S1), zeigt keine Anzeichen von Vermischung zwischen Rassen oder das Vorhandensein von Ausreißertieren innerhalb der Rassen.

Um den Grad der Vermischung in den Populationen besser zu verstehen, haben wir STRUCTURE auf eine zufällig ausgewählte Teilmenge von SNPs (~20.000 SNPs) angewendet. Wir erhöhten K von 1 auf 9, wobei K die angenommene Anzahl der Vorfahrenpopulationen ist (Abb. 2b und Zusatzdatei 1: Abbildung S2). Die Analyse ergab K = 2 als die wahrscheinlichste Anzahl genetisch unterschiedlicher Gruppen innerhalb unserer Proben (Abb. 2b), was die Divergenz von Taurin- und Zebu-Rindern in der Rinderpopulation widerspiegelt. Bei K = 3 zeigte Ankole deutliche Anzeichen genetischer Heterogenität mit gemeinsamer genomischer Abstammung mit afrikanischem (N’Dama), asiatischem Zebu und kommerziellem (Holstein, Jersey, Angus, Hanwoo) Taurin-genetischem Hintergrund. Steigende Werte von K weisen auf ein höheres Maß an Rassenhomogenität in der kommerziellen Population im Vergleich zu afrikanischen Zebu-Rassen hin. Darüber hinaus trennt ein Nachbarschaftsbaum (Abb. 2c) jede Rasse in eine eigene Klade. Die europäischen Rassen sind zusammen mit Hanwoo und N’Dama zu finden. In ähnlicher Weise gruppieren sich alle afrikanischen Zebu-Rassen gemeinsam, und Ankole-Tiere befinden sich an einer Zwischenposition zwischen Zebu und N’Dama.

Demografische Geschichte und Migrationsereignisse

Die Veränderung der effektiven Populationsgröße im Laufe der Zeit ist in Abb. 3a und Additional file 1 dargestellt: Abbildung S3. Die N’Dama-Population scheint im Vergleich zu den anderen afrikanischen Populationen einen stärkeren Populationsrückgang erlitten zu haben. Diese Beobachtung ist mit einem anfänglichen Populationsengpass nach der Ankunft und Anpassung der angestammten Population in der tropischen, subhumiden und feuchten Umgebung Westafrikas vereinbar. Diese westafrikanischen Rinderpopulationen waren in jüngster Zeit neuen Umweltbelastungen ausgesetzt, die starke Anpassungszwänge mit sich brachten (z. B. neue Krankheitserreger einschließlich Parasiten). Darüber hinaus zeigen die Schätzungen für Ogaden und Kenana einen leichten Anstieg der Populationsgröße vor etwa 1000 Jahren, was der Zeit der ersten Welle der Ankunft von Zebu am Horn des Kontinents entspricht. Allen gemeinsam ist ein Rückgang der Population ab etwa 10.000 BP, wahrscheinlich eine Folge der Domestizierung im Neolithikum.

Wir haben dann den Maximum-Likelihood-Baum (Abb. 3b) und die Residualmatrix (Additional file 1: Abbildung S4) der neun Rassen mit Treemix rekonstruiert, um populationsgeschichtliche Beziehungen zu untersuchen und Paare von Populationen zu identifizieren, die unabhängig von der durch diesen Baum erfassten Verwandtschaft sind. Indem wir dem Baum nacheinander Migrationsereignisse hinzufügten, stellten wir fest, dass eine abgeleitete Migrationskante einen Baum mit den kleinsten Residuen erzeugt und somit am besten zu den Daten passt (Zusätzliche Datei 1: Abbildung S4). Wir beobachteten eine statistisch signifikante Migrationskante (P < 2,2E-308) mit einem geschätzten Gewicht von 11,4 %; diese Kante liefert Beweise für den Genfluss von europäischem B. taurus (hier vertreten durch Jersey, Holstein und Angus) nach Ankole. In den letzten Jahren wurden Ankole-Rinder zunehmend mit taurischen Rassen gekreuzt, darunter auch Holstein-Rinder, die vor 50 Jahren erstmals in Uganda eingeführt wurden.

Die Anpassung afrikanischer Rinder an Umweltbelastungen und menschliche Selektion

Wir haben die Genome afrikanischer Rinderrassen verglichen, um innerhalb jeder Rasse Signaturen positiver Selektion infolge von Umwelt- und menschlichem Selektionsdruck zu identifizieren. Im Gegensatz zu SNP-Chip-Daten, bei denen die Diversität in den Taurin-Linien überschätzt und in den Indicus-Linien unterschätzt wird, kann die Ganzgenomsequenzierung diese Grenze der Erhebungsverzerrung überwinden, um Populationsanalysen beider Populationen zu ermöglichen und auch Ziele der Selektion in afrikanischen B. indicus zu identifizieren. Insbesondere untersuchten wir die extreme Haplotyp-Homozygotie und die Differenzierung der Allelhäufigkeit über ausgedehnte verknüpfte Regionen unter Verwendung der populationsübergreifenden erweiterten Haplotyp-Homozygotie (XP-EHH) und des populationsübergreifenden zusammengesetzten Wahrscheinlichkeitsverhältnisses (XP-CLR). In Anbetracht des geringen genetischen Abstands zwischen afrikanischen B. indicus (Additional file 1: Table S6) wurden die Rinderrassen N’Dama und Ankole separat mit allen anderen afrikanischen Rassen verglichen, um rassenspezifische Signaturen zu identifizieren. XP-EHH behält seine Aussagekraft auch bei kleinen Stichprobengrößen (bis zu zehn Stichproben). Wenn die Schätzungen des genetischen Abstands (F ST ) zwischen Populationspaaren größer als oder nahe bei 0,05 liegen, wie in unseren Analysen (Additional file 1: Table S6), sollten weniger als 20 Individuen pro Population für die Analyse der Populationsdifferenzierung ausreichen. Um Vergleiche der genomischen Regionen zwischen den Populationen zu ermöglichen, haben wir das Genom in nicht überlappende Segmente von 50 Kb unterteilt. Ausreißerregionen (die obersten 0,5 % der XP-EHH- oder XP-CLR-Statistiken) wurden als rassespezifische Kandidatenregionen für weitere Analysen (Haplotypen und Polymorphismen) betrachtet. Die Verteilungen der rohen XP-EHH- und XP-CLR-Werte für jeden Vergleich und die SNP-Dichte in jedem nicht überlappenden 50-kb-Fenster sind in Zusatzdatei 1 dargestellt: Abbildungen S5-S7.

Die Anpassung der N’Dama an die Trypanosomenherausforderung

Wir untersuchten zunächst, wie sich die Toleranz gegenüber der Trypanosomenherausforderung auf das Genom der afrikanischen Rinder ausgewirkt haben könnte. Afrikanische Trypanosomen sind extrazelluläre protozoische Parasiten, die schwere Krankheiten beim Menschen (Schlafkrankheit) und bei Haustieren (Nagana) verursachen; etwa 60 Millionen Menschen und 50 Millionen Rinder leben mit dem Risiko einer Trypanosomeninfektion. Von den wenigen „trypanotoleranten“ einheimischen afrikanischen Rinderrassen ist die westafrikanische N’Dama am besten charakterisiert, während die „Newcomer“ B. indicus im Allgemeinen sehr anfällig für Trypanosomose sind. Daher haben wir das N’Dama-Genom mit allen anderen afrikanischen Rinderrassen verglichen.

Die Ausreißer-Fenster der XP-EHH- und XP-CLR-Analyse umfassen 124 bzw. 106 Gene, von denen 28 in beiden Analysen vorkommen (Tabelle 1, Additional files 2 und 3). Diese relativ bescheidene Überlappung resultiert wahrscheinlich aus der unterschiedlichen Leistungsfähigkeit der Tests, die darauf ausgelegt sind, Regionen zu entdecken, die von vollständigen (XP-EHH) oder unvollständigen selektiven Sweeps (XP-CLR) betroffen sind.

Unter diesen fanden wir HCRTR1 (XP-CLR = 597.3), das für den Hypocretin-Rezeptor A kodiert (Abb. 4), der zur Klasse I-Unterfamilie innerhalb der Superfamilie der G-gekoppelten Rezeptoren gehört und an die Ca2+-Mobilisierung gekoppelt ist. Hypocretine werden von einer kleinen Gruppe von Neuronen in den lateralen hypothalamischen und perifornischen Bereichen produziert und sind an der Kontrolle des Fressverhaltens von Säugetieren beteiligt. Im Vergleich zu anderen afrikanischen Rindern weisen N’Dama eine fast reine Haplotyp-Homozygotie in der HCRTR1-Region auf, und wir konnten auch sieben nicht-synonyme Varianten in dem Gen nachweisen (Abb. 4b) (Additional file 1: Table S7). Zahlreiche Studien deuten darauf hin, dass Polymorphismen innerhalb der Hypocretin-Gene mit Veränderungen des Fress- und Trinkverhaltens verbunden sind. Insbesondere Orexin-A, ein endogener Ligand für den G-Protein-gekoppelten Rezeptor, stimuliert die Nahrungsaufnahme, und die Orexin-Messenger-RNA wird durch Fasten hochreguliert. Diese unabhängigen Studien deuten darauf hin, dass die Hypocretine eine wichtige Rolle bei der Regulierung der Nahrungsaufnahme spielen. Dies könnte die überlegene Fähigkeit der N’Dama erklären, ihr Körpergewicht zu halten und der Schlappheit und Auszehrung nach einer Trypanosomeninfektion zu widerstehen.

N’Dama-Rinder erreichen Trypanotoleranz mit mindestens zwei zusätzlichen Eigenschaften: die Fähigkeit, einer Anämie zu widerstehen und die Vermehrung der Parasiten zu kontrollieren. Anämie ist das auffälligste und konsistenteste klinische Zeichen einer Trypanosoma-Infektion und der wichtigste Indikator für eine Behandlung. Wir haben fünf Gene in Genomregionen gefunden, die vermutlich positiv selektiert sind (Ausreißerfenster) und mit Anämie in Verbindung stehen (SLC40A1, STOM, SBDS, EPB42 und RPS26). Der Eisenexporteur SLC40A1 (XP-EHH = 3,32, XP-CLR = 831,1) ist für die Eisenhomöostase von entscheidender Bedeutung und wird daher mit Eisenmangelanämie in Verbindung gebracht. Dieses Gen zeigt eine lokale Verringerung der Nukleotiddiversität und ein erweitertes Haplotypmuster (Abb. 4c). Bemerkenswert ist, dass wir bei N’Dama einen festen SLC40A1-Haplotyp gefunden haben, während die Häufigkeit bei anderen afrikanischen Rindern und kommerziellen Rassen bei 24 % bzw. 58 % liegt, was stark für eine Selektion bei diesem Gen spricht (Abb. 4d, e). Stomatin (STOM, XP-CLR = 525.0) ist ein Gen, das nach einer seltenen menschlichen hämolytischen Anämie benannt ist und für ein integrales 31-kDa-Membranprotein kodiert. Mutationen in den Genen SBDS (XP-EHH = 2.91) und EPB42 (XP-CLR = 511.1) sind für hypochrome Anämie bzw. hereditäre hämolytische Anämie verantwortlich, während Mutationen im Gen RPS26 (XP-CLR = 562.8) bei Patienten mit Diamond-Blackfan-Anämie identifiziert wurden.

Wir untersuchten diese Kandidatengen weiter auf nichtsynonyme Mutationen, die mutmaßliche funktionelle Varianten darstellen. Insbesondere veränderten missense SNPs Aminosäuren in den Proteinen STOM (p.Met48Val) und EPB42 (p.Arg503His). Beide Allelvarianten sind beim N’Dama-Rind im Gegensatz zu allen anderen Rassen vollständig fixiert (Abb. 4f und g).

Gene, die beim N’Dama-Rind positiv selektiert wurden, waren signifikant (P < 0,05) in der „I-kappaB-Kinase/NF-kappaB-Kaskade“ überrepräsentiert (GO:0007249, Additional file 4). Der Transkriptionsfaktor Nuclear Factor KappaB (NF-kB) ist von zentraler Bedeutung für die angeborene und erworbene Immunantwort auf mikrobielle Krankheitserreger und koordiniert die zellulären Reaktionen auf das Vorhandensein einer Infektion. Aufgrund des molekularen Nachweises, dass Trypanosoma cruzi NF-kB in einer Reihe von Zellen aktiviert, wurde vorgeschlagen, dass NF-kB für das intrazelluläre Überleben und den Gewebetropismus von T. cruzi, dem Erreger der menschlichen Schlafkrankheit, entscheidend ist. Diese Studien könnten darauf hindeuten, dass Gene, die an der NF-kB-Kaskade beteiligt sind, bei N’Dama eine positive Selektion erfahren haben, um ihre Funktionen zu verändern und so die Infektion mit Rinder-Trypanosomen wirksam zu regulieren. Wir fanden auch ein signifikantes Signal am Interleukin-1-Rezeptor-ähnlichen 2 (IL1RL2), was mit der Beobachtung übereinstimmt, dass die erste Reaktion des Wirtsimmunsystems auf eine Trypanosomeninfektion die Aktivierung von Makrophagen umfasst, die entzündungsfördernde Moleküle wie IL-1 absondern. Insbesondere wurde zuvor berichtet, dass T. brucei-Infektionen zu einer erhöhten IL-1-Sekretion führen.

Die Auswirkungen menschlicher Selektion auf das Ankole-Genom

Im Vergleich zwischen Ankole und allen anderen afrikanischen Rindern haben wir 187 Gene innerhalb der Ausreißer-Genomfenster identifiziert (Tabelle 1, Additional files 2 und 3). Zu den mutmaßlich ausgewählten Genomregionen gehören Kandidatenloci, die biologische Funktionen im Zusammenhang mit der Fellfarbe haben: Melanocortin-1-Rezeptor (MC1R) (XP-CLR = 295,0) und KIT (XP-EHH = 1,80), die beide durch eine Haplotyp-Sharing-Analyse unterstützt werden, die ein hohes Maß an Haplotyp-Homozygotie innerhalb der Rasse zeigt (Zusatzdatei 1: Abbildung S8). Ankole-Rinder zeichnen sich durch ihre massiven weißen Hörner und ihre überwiegend rote Fellfarbe aus. Die Ergebnisse stimmen mit früheren Berichten überein, wonach Mutationen in MC1R bei verschiedenen Tierarten wie Rindern, Pferden, Mäusen und Hunden rote (oder kastanienbraune) Fellfarben erzeugen. Das Produkt von KIT ist wahrscheinlich nicht nur bei Rindern, sondern auch bei anderen domestizierten Säugetieren an der Weißfärbung des Fells beteiligt. Unsere Ergebnisse stehen im Einklang mit der Beobachtung, dass die Fellfarbe von Ankole zwar überwiegend rot ist, aber manchmal auch weiß gefleckt ist. Interessanterweise weisen Holstein-Rinder, die ebenfalls für ihre schwarz-weiße Zeichnung bekannt sind, denselben Haplotyp (Additional file 1: Abbildung S8) in der KIT-Genregion auf wie Ankole, was auf einen gemeinsamen Ursprung des Haplotyps in der afrikanischen und europäischen Taurin-Linie und/oder auf eine kürzliche Kreuzung von Ankole mit Holstein-Rindern hinweist. In den Ausreißerregionen fanden wir auch die Gene MITF (XP-EHH = 1,90) und PDGFRA (XP-EHH = 2,56, XP-CLR = 319,3), die zuvor bei verschiedenen Milchviehrassen und anderen Spezies mit der Weißscheckung in Verbindung gebracht wurden (Tabelle 1, Zusatzdateien 2 und 3).

Wir fanden auch mutmaßliche ausgewählte Kandidatenregionen, die das massive Horn bei Ankole geprägt haben könnten. Zunächst untersuchten wir eine bereits berichtete Kandidatenvariante, die für das Vorhandensein von Hörnern bei Holstein verantwortlich ist. Alle Ankole-Proben wiesen den Genotyp G/G bei BTA1:1390292G > A auf, was darauf hindeutet, dass Ankole dem Genotyp der gehörnten Holstein-Rinder folgt. Die Analyse der Überrepräsentation von Gen-Ontologie (GO)-Termen (Zusätzliche Datei 4) zeigt, dass Ankole vermehrt GO-Kategorien aufweist, die am Fibroblasten-Wachstumsfaktor (FGF)-Signalweg (MAP3K5, PPP2R2C, FGF18 und FRS3, P00021) und an der Entwicklung des Skelettsystems (ACVRL1, CASR, TLX3, ACVR1B und RUNX3, GO:0001501) beteiligt sind. Keiner der beiden Begriffe wurde von positiv ausgewählten Genen bei anderen afrikanischen Rindern angereichert, was darauf hindeutet, dass sie mit der bei dieser Rasse beobachteten extremen Hornentwicklung in Verbindung stehen könnten. Das Horn ist ein Auswuchs des Stirnbeins, der von einer zähen Hülle aus modifiziertem Epithel bedeckt ist, das aus der Haut und dem subkutanen Bindegewebe stammt. Zum FGF-Signalweg gehört FGF18 (XP-CLR = 182.3), das für die Differenzierung der Osteoblasten während der Entwicklung des Schädelknochens verantwortlich ist und mit der Proliferation der Chondrozyten in der Maus in Verbindung steht. Diese Gene könnten zusammen die Ursache für die besondere Morphologie des Ankole-Horns im Vergleich zu anderen Rindern sein.

Die Anpassung afrikanischer Rinder an die Herausforderungen der Zecken

Afrikanische Rinderrassen haben sich entwickelt, um sich an die harten Umweltbedingungen anzupassen, die in Afrika südlich der Sahara vorherrschen, wie z.B. tropische Viehkrankheiten, hohe Sonneneinstrahlung und Temperatur, Dürre und schlechte Ernährungsbedingungen. Diese Umweltbedingungen sind in ganz Afrika südlich der Sahara vorherrschend, und man kann davon ausgehen, dass es bei allen afrikanischen Rassen ein Signal für positive Selektion gibt. Um dies zu untersuchen, wurden alle afrikanischen Rassen kombiniert und mit den kommerziellen Rassen verglichen, um gemeinsame und einzigartige afrikanische genomspezifische Selektionssignaturen zu identifizieren. Bei diesem Vergleich zeigen die XP-CLR- und XP-EHH-Analysen abweichende Fenster (oberste 0,5 %) mit 252 Genen (Zusätzliche Dateien 2 und 3). Unter diesen fanden wir die Region, die das Rinder-Lymphozyten-Antigen (BOLA, XP-EHH = 1,19, XP-CLR = 110,1) Gen enthält. Bei der detaillierten Untersuchung der Region identifizierten wir sechs BOLA-Haplotypenblöcke, in denen die wichtigsten Haplotypen der afrikanischen Rinder den gegensätzlichen oder den weniger wichtigen Haplotypen der kommerziellen Rinder entsprechen (Zusatzdatei 1: Abbildung S9). Allele von BOLA-DRB3 zeigten einen Zusammenhang mit der Resistenz gegen Zeckenbefall (Boophilus microplus) bei Rindern. Der Rinder-Lymphozyten-Antigen-Komplex wurde in den letzten 30 Jahren wegen seiner Bedeutung für die Wirtsimmunität eingehend untersucht. Die meisten Studien haben sich auf andere Mitglieder der BOLA-Familie und ihre Bedeutung für parasitäre Krankheiten konzentriert, so dass die Aufklärung der Funktion dieses BOLA-Gens bei afrikanischen Rindern die Mechanismen hinter der Interaktion zwischen dem BOLA-Komplex und der angeborenen Immunität gegen mehrere wichtige tropische parasitäre Krankheiten wie das Ostküstenfieber aufklären könnte .

Hitzetoleranz bei afrikanischen Rindern

Um genomische Regionen zu identifizieren, die für die Thermoregulation bei afrikanischen Rindern verantwortlich sind, wählten wir a priori Kandidatengene aus, indem wir 13 zuvor identifizierte quantitative Trait Loci (QTL) für Hitzetoleranz und 18 Hitzeschockproteine verwendeten. Keine dieser Regionen wurde durch unsere gemeinsamen Metriken von XP-EHH und XP-CLR unterstützt. Anschließend analysierten wir das Muster der Haplotyp-Homozygotie bei afrikanischen Rindern im Vergleich zu europäischen und asiatischen Taurinern (kommerzielle Rassen, die in gemäßigten Zonen entwickelt wurden). In Übereinstimmung mit unseren früheren Ergebnissen stellten wir fest, dass die gemeinsame Nutzung von Haplotypen bei den kommerziellen Rassen viel umfangreicher ist, wenn zufällige genomische Regionen untersucht wurden (Additional file 1: Abbildung S10). Betrachtet man jedoch die Kandidatenregionen in den afrikanischen Rassen im Vergleich zu den kommerziellen Rassen, so sind bemerkenswerte weitreichende Haplotypen in einem der Hitzetoleranz-QTLs (BTA22, 10,03-11,0 Mb) (Abb. 5a) und in einem der Hitzeschockproteine, dem Hitzeschock 70 kDa Protein 4 (HSPA4) (Zusätzliche Datei 1: Abbildung S11), gemeinsam in afrikanischen Rindern zu finden, was auf selektive Einflüsse für Hitzetoleranz in dieser Region hinweist. Die zelluläre Toleranz gegenüber Hitzestress wird durch eine Familie von Hitzeschockproteinen vermittelt. Das Hitzeschockprotein 70 ist dafür bekannt, dass es den Schutz der Zellen vor Hitzeschäden fördert und die Denaturierung von Proteinen verhindert. Das Ausmaß der gemeinsamen Nutzung von Haplotypen in diesen beiden Regionen war bei afrikanischen B. indicus-Rindern größer als bei N’Dama-Rindern, was mit einem früheren Bericht übereinstimmt, wonach Zebu-Rassen besser in der Lage sind, die Körpertemperatur als Reaktion auf Hitzestress zu regulieren. Die hier identifizierte Hitzetoleranz-QTL-Region wird außerdem durch mehrere Anzeichen positiver Selektion innerhalb der B. indicus-Populationen unterstützt, die im Vergleich zu den Taurin-Rassen ein erhöhtes Linkage-Disequilibrium und eine hohe Populationsdivergenz (Fst) aufweisen (Abb. 5a).

Wir fanden auch ein starkes Signal für eine positive Selektion beim Gen für Superoxiddismutase 1 (SOD1, XP-CLR = 333.3) (Zusatzdatei 3) sowohl im Vergleich zwischen afrikanischen und kommerziellen Rassen als auch zwischen B. indicus und kommerziellen Rassen. Okado-Matsumoto und Fridovich haben gezeigt, dass die Bindung von Hitzeschockproteinen an mutierte Formen von Proteinen, die in Motoneuronen reichlich vorhanden sind, wie z. B. SOD1, die Hitzeschockproteine für ihre antiapoptotischen Funktionen unbrauchbar macht. In Anbetracht der Tatsache, dass B. indicus-Rinder besser an höhere Umgebungstemperaturen angepasst sind und das Selektionssignal bei B. indicus stärker war, wurden weitere Vergleiche nur zwischen B. indicus und kommerziellen Rassen durchgeführt. Bei der funktionellen Annotation von Varianten in diesem Gen wurde eine Missense-Mutation (p.Ile95Phe) in Exon 3 von SOD1 nur in der B. indicus-Population identifiziert. Diese nicht-synonyme Mutation hat im Gegensatz zu dem bei kommerziellen Rassen beobachteten Muster in den Zebu-Populationen fast eine Fixierung (95 %) erreicht (Abb. 5b). Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Variationen im SOD1-Gen eine wichtige Rolle bei den Hitzetoleranzmerkmalen afrikanischer Rinder spielen können.

Eine neuere Studie hat den Umfang der klassischen Prolaktinbiologie erweitert. Sie zeigt, dass der Prolaktin-Signalweg nicht nur an der Laktation beteiligt ist, sondern auch einen Einfluss auf die Haarmorphologie und die Thermoregulationsphänotypen bei den überwiegend taurinhaltigen Senepol-Rindern hat. Dies wird höchstwahrscheinlich durch zwei wechselseitige Mutationen in den Genen für Prolaktin (PRL) und seinen Rezeptor (PRLR) vermittelt. Die Analyse aller afrikanischen Rinder im Vergleich zu den kommerziellen Rassen ergab ein signifikantes Selektionssignal, das noch stärker ist, wenn nur B. indicus untersucht wird (Tabelle 1), und zwar in der Genregion des Prolaktin-Releasing-Hormons (PRLH, XP-EHH = 1,49), das die Prolaktinfreisetzung stimuliert und die Expression von Prolaktin reguliert. Wir haben dann festgestellt, dass ein nicht-synonymer SNP in Exon 2, der für eine p.Arg76His-Substitution kodiert, in der B. indicus-Rinderpopulation hoch konserviert ist (73 %) und in der kommerziellen Taurinpopulation fehlt (Additional file 1: Abbildung S12). Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die PRLH-Mutation einen Selektionsvorteil bei der Regulierung der Prolaktinexpression bietet, der mit der Thermotoleranz bei afrikanischen Rindern, insbesondere bei B. indicus, in Verbindung stehen könnte.

Unsere GO-Analyse (Additional file 4) ergab die signifikanteste Anreicherung von Wnt-Signalen (P00057) sowie von Signalwegen, die an der Regulierung der Hautdurchblutung beteiligt sind: Endothelin-Signalweg (P00019) und Histamin-H1-Rezeptor-vermittelter Signalweg (P04385). Die thermoregulatorische Steuerung der Hautdurchblutung ist für die Aufrechterhaltung der normalen Körpertemperatur bei Störungen der thermischen Homöostase von entscheidender Bedeutung, und insbesondere der Anstieg der Hautdurchblutung während der Erwärmung des Körpers hat eine H1-Histaminrezeptor-Komponente. Diese Signalwege könnten sich bei afrikanischen Rindern schnell entwickeln, was ihren völlig anderen Grad an Thermotoleranz auf zellulärer und physiologischer Ebene im Vergleich zu gemäßigten Rinderrassen erklären könnte.