Afrikan alkuperäiskarjan genomimaisema

Sekvensointi, kokoaminen ja yksittäisten nukleotidipolymorfismien tunnistaminen

Individual genomes of 48 indigenous African (Boran, Ogaden, Kenana, Ankole ja N’Dama) nautaeläinten genomit generoitiin kukin ~11 X:n kattavuuteen, ja ne genotyypiteltiin yhdessä julkisesti saatavilla olevien kaupallisten nautarotujen (Angus, Jersey, Holstein ja Hanwoo) genomien kanssa (Kuva. 1a, lisätiedosto 1: huomautus S1, taulukko S1). Näihin rotuihin kuuluvat Bos indicus (Boran, Ogaden ja Kenana), afrikkalainen Bos taurus (N’Dama), eurooppalais-aasialainen Bos taurus ja sanga (Ankole, tauriinin ja zebun risteytys) . Yhteensä luotiin 6,50 miljardia lukua eli ~644 Gbp sekvenssejä. Bowtie 2 -ohjelmalla lukemat kohdistettiin tauriinin referenssigenomisekvenssiin UMD 3.1. Keskimääräinen kohdistamisprosentti oli 98,84 % ja se kattoi 98,56 % referenssigenomista (lisätiedosto 1: taulukko S2). Afrikkalaisten B. indicus -näytteiden ja UMD 3.1 -referenssigenomin kokonaiskohdistusprosentin todettiin olevan vertailukelpoinen afrikkalaisista tauriininäytteistä saatuun tasoon nähden (lisätiedosto 1: taulukko S2), mikä vastaa aiempaa analyysia zebu Nelloresta. Mahdollisten PCR-duplikaattien suodattamisen ja INDELien esiintymisestä johtuvien virheellisten linjausten korjaamisen jälkeen havaitsimme yhden nukleotidin polymorfismit (SNP) GATK 3.1 -ohjelmalla. Ennen kuin SNP-ehdokkaita käytettiin jatkoanalyyseissä, sovellettiin useita suodatusvaiheita väärien positiivisten kutsujen määrän minimoimiseksi. SNP:t poistettiin erityisesti seuraavien kriteerien perusteella: phred-asteikollinen laatupistemäärä, kartoituksen laatu, laadun syvyys ja phred-asteikollinen P-arvo (ks. ”Menetelmät”). Lopulta valittiin yhteensä noin 37 miljoonaa SNP:tä, ja rotukohtaiset SNP:t tunnistettiin SnpSift-ohjelmalla (kuva 1b, lisätiedosto 1: taulukko S3). 45 afrikkalaisesta näytteestä peräisin oleva genominen DNA genotyypiteltiin lisäksi BovineSNP50 Genotyping BeadChip -laitteella (Illumina, Inc.), jotta voitiin arvioida SNP-kutsujen tarkkuutta uudelleen sekvensointitiedoista. BovineSNP50 Genotyping BeadChipin SNP:iden ja uudelleensekvensointitulosten välillä havaittiin ~95 %:n yleinen genotyyppien yhteneväisyys kaikissa näytteissä, mikä antaa varmuuden SNP-kutsujen tarkkuudesta (lisätiedosto 1: taulukko S4).

Afrikkalaisen genomin monimuotoisuus ja sukulaisuussuhteet

Yksittäisnukleotidipolymorfismit

Kuvassa 1b on havainnollistettu kussakin rodussa esiintyvien SNP:iden määrä, mukaan lukien rotukohtaiset SNP:t, joiden lukumäärät on esitetty Additional file 1: Table S5. Kun tarkastellaan eri nautalinjoja, suurin määrä SNP:itä löytyy seepukarjasta (Boran, Kenana, Ogaden), jossa suurin osa SNP:istä on homotsygoottisia kaikissa kolmessa rodussa, jotka edustavat afrikkalaisen seepun linjakohtaisia variantteja. Suurin osa (65,13 %) SNP:istä oli intergeenisillä alueilla. Loput SNP:t sijaitsivat avoimen lukukehyksen ylä- (3,90 %) ja alapuolella (3,96 %), introneissa (26,0 %) ja kääntämättömillä alueilla (UTR, 0,240 %). Eksonit sisälsivät 0,69 % kaikista SNP:istä, ja niissä oli 115 439 missense- ja 1336 nonsense-mutaatiota (lisätiedosto 1: taulukko S5).

Nukleotidididiversiteetti mittaa polymorfismin astetta populaatiossa, ja se määritellään nukleotidierojen keskimääräisenä lukumääränä paikkaa kohti minkä tahansa kahden satunnaisesti otospopulaatiosta valittujen DNA-jaksojen välillä . Koko genomin laajuisen 10 Mb:n ikkunan mittakaavassa kaupalliset eurooppalaiset rodut osoittavat vähäisempää nukleotidididiversiteettiä verrattuna kaikkiin afrikkalaisiin alkuperäisrotuihin (kuva 2d). Nukleotidien vähentynyt monimuotoisuus koko genomin tasolla on odotettavissa, ja se on todennäköisesti seurausta sukupolvien ajan tapahtuneesta intensiivisestä keinotekoisesta valinnasta ja/tai geneettisestä ajelehtimisesta, jota on seurannut demografinen historia, jolle on ominaista alhainen efektiivinen populaatiokoko. Mielenkiintoista on, että myös n’dama-lajin geneettinen monimuotoisuus on suhteellisen vähäistä, mikä saattaa olla perintöä alun perin alhaisesta tehollisesta populaatiokoosta ja/tai tautien aiheuttamasta populaation pullonkaulasta. Nukleotidien monimuotoisuus on suurinta afrikkalaisilla seepuilla (Boran, Ogaden, Kenana) ja Ankole sangalla. Nämä ovat sekoitettuja tauriini × seborotuja, joiden tehollinen populaatiokoko on suhteellisen suuri. Kaupallisen hanwon suhteellisen suuri nukleotidididiversiteetti saattaa heijastaa heikompaa, kohdennettua ja lyhyempää valintahistoriaa verrattuna muihin kaupallisiin rotuihin .

Populaatiorakenne ja sukulaisuussuhteet

Toteutimme pääkomponenttianalyysin (PKA) autosomaalisille SNPs-genotyyppitiedoille (kuva 2a) käyttäen EIGENSTRATia . Analyysi ei ota huomioon rotuun kuulumista, mutta paljastaa kuitenkin selkeät roturakenteet, koska samaan rotuun kuuluvat näytteet klusteroituvat yhteen. Kaksi ensimmäistä PC:tä, jotka selittävät 16,0 prosenttia ja 3,4 prosenttia kokonaisvaihtelusta, erottavat toisistaan afrikkalaiset ja ei-afrikkalaiset rodut, ja Ankole-rotu on välimaastossa. PCA, joka perustuu afrikkalaisiin, kaupallisiin ja tauriininäytteisiin erikseen (lisätiedosto 1: kuva S1), ei osoita todisteita rotujen välisestä sekoittumisesta tai poikkeavien eläinten esiintymisestä rotujen sisällä.

Ymmärtääksemme tarkemmin populaatioiden sekoittumisastetta käytimme STRUCTURE-menetelmää satunnaisesti poimittuun SNP:iden osajoukkoon (~20 000 SNP:tä). Lisäsimme K:n arvoa 1:stä 9:ään, jossa K on oletettu esivanhempien populaatioiden lukumäärä (kuva 2b ja lisätiedosto 1: kuva S2). Analyysi ehdotti K = 2:ta todennäköisimmäksi geneettisesti erillisten ryhmien lukumääräksi näytteissämme (Kuva 2b), mikä heijastaa tauriini- ja zebukarjan eroavaisuutta nautapopulaatiossa. K = 3:lla Ankole osoitti selkeää näyttöä geneettisestä heterogeenisuudesta, jossa oli yhteistä genomista syntyperää afrikkalaisen (N’Dama), aasialaisen zebun ja kaupallisen (Holstein, Jersey, Angus, Hanwoo) tauriinin geneettisen taustan kanssa. K:n kasvavat arvot viittasivat suurempaan rotuhomogeenisuuteen kaupallisessa populaatiossa verrattuna afrikkalaisiin seepuurotuihin. Lisäksi naapuriliitospuu (kuva 2c) erottaa jokaisen rodun omaksi erilliseksi kladikseen. Eurooppalaiset rodut ryhmittyvät ensin yhteen, sitten Hanwoon ja N’Daman kanssa. Vastaavasti kaikki afrikkalaiset seborodut klusteroituvat yhteen, ja Ankole-eläimet löytyvät zebun ja N’daman välimaastosta.

Demografinen historia ja muuttotapahtumat

Tehollisen populaatiokoon vaihtelu ajan myötä on esitetty kuvassa 3a ja Additional file 1: Kuva S3. N’Dama näytti kärsineen voimakkaammasta populaation vähenemisestä kuin muut Afrikan populaatiot. Tämä havainto on sopusoinnussa sen kanssa, että populaation pullonkaula on alkanut sen jälkeen, kun kantapopulaatio saapui trooppiseen, subkosteaan ja kosteaan Länsi-Afrikan ympäristöön ja sopeutui sinne. Nämä länsiafrikkalaiset nautapopulaatiot ovat viime aikoina joutuneet alttiiksi uusille ympäristöpaineille, jotka aiheuttavat voimakkaita sopeutumisrajoitteita (esim. uudet taudinaiheuttajat, loiset mukaan luettuina). Lisäksi Ogadenin ja Kenanan arviot osoittavat, että populaation koko on kasvanut hieman noin 1000 vuotta sitten, mikä vastaa aikaa, jolloin seeput saapuivat ensimmäisen kerran mantereen sarven kautta . Kaikille on yhteistä noin 10 000 BP alkanut populaation väheneminen, joka on todennäköisesti seurausta neoliittisen ajan kesyttämistapahtumista .

Tämän jälkeen rekonstruoimme Treemix-ohjelmalla yhdeksän rodun maksimaalisen todennäköisyyden puun (kuva 3b) ja jäännösmatriisin (lisätiedosto 1: kuva S4) Treemix-ohjelmalla tarkastellaksemme populaatiohistoriallisia suhteita ja yksilöidäksemme populaatioparien sukulaisuussuhteita, jotka ovat sukulaisuussuhteita, jotka ovat riippumattomat siitä, että ne ovat tämän puun kuvaamia. Kun puuhun lisättiin peräkkäin vaellustapahtumia, havaittiin, että yksi päätelty vaellussärmä tuottaa puun, jonka residuaalit ovat pienimmät ja joka siten sopii parhaiten aineistoon (lisätiedosto 1: kuva S4). Havaitsimme tilastollisesti merkitsevän migraatioreunan (P < 2,2E-308), jonka arvioitu painoarvo on 11,4 %; tämä reuna antaa todisteita geenivirrasta eurooppalaisesta B. tauruksesta (jota tässä edustavat Jersey, Holstein ja Angus) Ankoleen. Viime vuosina Ankole-karjaa on risteytetty enenevässä määrin taurusrotuisten nautojen kanssa, mukaan lukien holstein-rotuiset naudat, jotka tuotiin Ugandaan ensimmäisen kerran 50 vuotta sitten.

Afrikkalaisen karjan sopeutuminen ympäristöstressiin ja ihmisen suorittamaan valintaan

Vertailimme afrikkalaisten nautarotujen genomeja, jotta voisimme tunnistaa kussakin rodussa positiivisen valikoitumisen piirteitä, jotka ovat seuranneet ympäristöstä ja ihmisen suorittamaa valintaa. Toisin kuin SNP-siruaineisto, jossa diversiteetti yliarvioidaan tauriinilinjoissa ja aliarvioidaan indicinilinjoissa , koko genomin sekvensoinnilla voidaan voittaa tämä määritysharhan aiheuttama raja, jotta voidaan asianmukaisesti mahdollistaa molempien populaatioiden populaatioanalyysit ja tunnistaa valinnan kohteet myös afrikkalaisessa B. indicuksessa. Tarkastelimme erityisesti äärimmäistä haplotyyppihomotsygotiaa ja alleelifrekvenssien erilaistumista laajoilla linkitetyillä alueilla käyttäen populaatioiden välistä laajennettua haplotyyppihomotsygotiaa (XP-EHH) ja populaatioiden välistä yhdistettyä todennäköisyyssuhdetta (XP-CLR). Ottaen huomioon afrikkalaisten B. indicus -rotujen läheisen geneettisen etäisyyden (lisätiedosto 1: taulukko S6) N’Dama- ja Ankole-rotuja verrattiin erikseen kaikkiin muihin afrikkalaisiin rotuihin afrikkalaisten rotukohtaisten tunnusmerkkien tunnistamiseksi. XP-EHH:n teho säilyy pienellä otoskoolla (vain kymmenen näytettä) . Lisäksi kun populaatioparien välisen geneettisen etäisyyden (F ST ) estimaatit ovat suurempia kuin 0,05 tai lähellä sitä, kuten analyysissämme (lisätiedosto 1: taulukko S6), alle 20 yksilöä per populaatio pitäisi riittää populaatioiden erilaistumisanalyysiin . Jotta genomialueiden vertailu eri populaatioiden välillä olisi mahdollista, jaoimme genomin 50 kilotavun päällekkäisiin segmentteihin, jotka eivät ole päällekkäisiä. Poikkeavia alueita (ylimmät 0,5 % XP-EHH- tai XP-CLR-tilastoista) pidettiin rotukohtaisina ehdokasalueina jatkoanalyysejä varten (haplotyypit ja polymorfismit). Kunkin vertailun raakojen XP-EHH- ja XP-CLR-arvojen jakaumat ja SNP-tiheys kussakin 50 kilotavun ikkunassa, joka ei ole päällekkäinen, on esitetty lisätiedostossa 1: Figures S5-S7.

N’Daman sopeutuminen trypanosomihaasteeseen

Tutkimme ensin, miten trypanosomihaasteen sietokyky on saattanut vaikuttaa afrikkalaisen karjan genomiin. Afrikkalaiset trypanosomit ovat solunulkoisia alkueläinparasiitteja, jotka aiheuttavat vakavia sairauksia ihmisillä (unitauti) ja kotieläimillä (nagana); noin 60 miljoonaa ihmistä ja 50 miljoonaa nautaeläintä elää trypanosomitartunnan vaarassa . Muutamista ”trypanotoleranteista” alkuperäisistä afrikkalaisista nautaroduista parhaiten tunnettu on länsiafrikkalainen N’Dama-rotu, kun taas ”uudet tulokkaat” B. indicus ovat yleensä erittäin alttiita trypanosomoosille . Siksi vertasimme N’Daman genomia kaikkiin muihin afrikkalaisiin nautarotuihin.

XP-EHH- ja XP-CLR-analyysien outlier-ikkunoihin kuuluu 124 ja 106 geeniä, joista 28 oli yhteisiä molemmille analyyseille (taulukko 1, lisätiedostot 2 ja 3). Tämä suhteellisen vaatimaton päällekkäisyys johtui todennäköisesti tehoerosta testien välillä, jotka on suunniteltu havaitsemaan täydellisten (XP-EHH) tai epätäydellisten valikoivien pyyhkäisyjen (XP-CLR) vaikutusalueet.

Muun muassa havaitsimme HCRTR1:n (XP-CLR = 597.3), joka koodaa hypokretiinireseptori A:ta (kuva 4), joka kuuluu G-kytkettyjen reseptorien superperheeseen kuuluvaan luokan I alaryhmään ja on kytketty Ca2+-mobilisaatioon. Hypokretiinejä tuottaa pieni ryhmä neuroneja lateraalisen hypotalamuksen ja perifornikaalisten alueiden hermosoluissa, ja ne osallistuvat nisäkkäiden ruokintakäyttäytymisen säätelyyn . Muihin afrikkalaisiin nautoihin verrattuna N’Dama-rotuisilla naudoilla on lähes puhdasta haplotyyppihomotsygotiaa HCRTR1-alueella, ja havaitsimme geenissä myös seitsemän ei-synonyymistä varianttia (kuva 4b) (lisätiedosto 1: taulukko S7). Lukuisat tutkimukset osoittavat, että hypokretiinigeenien polymorfismi liittyy ruokinta- ja juomakäyttäytymisen muutoksiin . Erityisesti oreksiini-A, G-proteiinikytkentäisen reseptorin endogeeniset ligandit, stimuloivat ruoan kulutusta, ja oreksiinin lähetti-rna:ta säätelee paasto ylöspäin . Nämä riippumattomat tutkimukset osoittavat, että hypokretiineillä on merkittävä rooli ruokinnan säätelyssä. Se saattaa selittää N’daman ylivoimaisen kyvyn ylläpitää ruumiinpainoa ja vastustaa velttoutta ja laihtumista trypanosomi-infektion jälkeen .

N’Dama-karja saavuttaa trypanotoleranssin vähintään kahdella lisäominaisuudella: kyky vastustaa anemiaa ja hallita loisten lisääntymistä . Anemia on Trypanosoma-infektion näkyvin ja johdonmukaisin kliininen oire, ja se on tärkein hoidon indikaattori. Löysimme viisi geeniä genomin alueilta, jotka oletettavasti valikoituivat positiivisesti (outlier-ikkunat) ja jotka liittyvät anemiaan (SLC40A1, STOM, SBDS, EPB42 ja RPS26). Raudan viejä SLC40A1 (XP-EHH = 3.32, XP-CLR = 831.1) on välttämätön raudan homeostaasin kannalta, ja siksi se liittyy raudanpuuteanemiaan . Tämän geenin nukleotidien monimuotoisuus on paikallisesti vähentynyt ja haplotyyppikuvio on laajentunut (kuva 4c). Löysimme erityisesti kiinteän SLC40A1-haplotyypin N’Dama-rodussa, kun taas muilla afrikkalaisilla nautaeläimillä ja kaupallisilla roduilla sen esiintyvyys on 24 prosenttia ja 58 prosenttia, mikä tukee vahvasti geenin valintaa (kuvat 4d, e). Stomatiini (STOM, XP-CLR = 525,0) on geeni, joka on nimetty ihmisen harvinaisen hemolyyttisen anemian mukaan, ja se koodaa 31 kDa:n integraalista kalvoproteiinia. Geenien SBDS (XP-EHH = 2.91) EPB42 (XP-CLR = 511.1) mutaatiot ovat vastuussa hypokromaattisesta anemiasta ja perinnöllisestä hemolyyttisestä anemiasta , kun taas RPS26-geenin (XP-CLR = 562.8) mutaatioita on havaittu Diamond-Blackfan-anemiaa sairastavilla potilailla .

Tarkistimme edelleen, että näissä geeniehdokkaissa on muita kuin synonyymisiä mutaatioita, jotka edustavat potentiaalisia funktionaalisia variantteja. Erityisesti missense SNP:t muuttivat aminohappoja STOM- (p.Met48Val) ja EPB42-proteiineissa (p.Arg503His). Molemmat näistä alleelivarianteista ovat täysin kiinteitä N’Dama-karjalla toisin kuin kaikilla muilla roduilla (kuvat 4f ja g).

N’Dama-karjalla positiivisesti valikoituneet geenit olivat merkitsevästi (P < 0,05) yliedustettuina ”I-kappaB-kinaasi/NF-kappaB-kaskadissa” (GO:0007249, Additional file 4). Transkriptiotekijä ydintekijä-kappaB (NF-kB) on keskeinen synnynnäisen ja hankitun immuunivasteen kannalta mikrobipatogeeneille, ja se koordinoi soluvasteet infektion läsnäoloon. Itse asiassa sen molekulaarisen näytön perusteella, että Trypanosoma cruzi aktivoi NF-kB:tä useissa soluissa, NF-kB:tä ehdotettiin ihmisen uniapneaa aiheuttavan T. cruzi -bakteerin solunsisäisen selviytymisen ja kudostrooppisuuden määrittäjäksi. Nämä tutkimukset voivat viitata siihen, että NF-kB:n kaskadiin osallistuvat geenit ovat kokeneet positiivisen valinnan N’Damassa muuttaakseen toimintojaan, jotta ne voivat tehokkaasti säädellä karjan trypanosomainfektiota. Löysimme myös merkittävän signaalin interleukiini 1 -reseptorin kaltaisen 2:n (IL1RL2) kohdalla sopusoinnussa sen havainnon kanssa, että isännän immuunijärjestelmän alustavaan vasteeseen trypanosomainfektiolle kuuluu makrofagien aktivoituminen, jotka erittävät pro-inflammatorisia molekyylejä, kuten IL-1 . Erityisesti on aiemmin raportoitu, että T. brucei -infektiot johtavat IL-1:n erityksen lisääntymiseen.

Ihmisvalinnan vaikutus Ankolen genomiin

Ankolen ja kaikkien muiden afrikkalaisten nautojen välisessä vertailussa tunnistimme 187 geeniä outlier-genomiikkunoissa (taulukko 1, lisätiedostot 2 ja 3). Oletettavasti valikoituneisiin genomialueisiin kuuluu kandidaattilokseja, joilla on karvapeitteen väriin liittyviä biologisia toimintoja: melanokortiini 1 -reseptori (MC1R) (XP-CLR = 295,0) ja KIT (XP-EHH = 1,80), joita molempia tukevat haplotyyppien jakoanalyysit, jotka osoittivat korkeaa haplotyyppihomotsygotian tasoa rodun sisällä (Lisätiedosto 1: Kuva S8). Ankole-karjalle ovat ominaisia massiiviset valkoiset sarvet ja pääasiassa punainen turkki. Tulokset ovat sopusoinnussa aiempien raporttien kanssa, joiden mukaan MC1R:n mutaatiot tuottavat punaista (tai kastanjanruskeaa) turkin väriä eri lajeilla, kuten naudoilla, hevosilla, hiirillä ja koirilla . KIT:n tuote on todennäköisesti osallisena turkin valkoisessa pilkullisuudessa paitsi naudoilla myös muilla kotieläiminä pidetyillä nisäkkäillä . Löydöksemme ovat yhdenmukaisia sen havainnon kanssa, että vaikka Ankole-turkin väri on pääasiassa punainen, se on joskus myös valkopilkullinen . Mielenkiintoista on, että holsteinilaisilla, jotka tunnetaan myös mustavalkoisista merkinnöistään, on sama haplotyyppi (Additional file 1: Figure S8) KIT-geenin alueella kuin Ankolella, mikä viittaa haplotyypin yhteiseen alkuperään afrikkalaisessa ja eurooppalaisessa tauriinilinjassa ja/tai Ankolen ja holstein-karjan äskettäiseen risteytymiseen. Löysimme myös MITF- (XP-EHH = 1,90) ja PDGFRA- (XP-EHH = 2,56, XP-CLR = 319,3) geenejä poikkeavilta alueilta; nämä on myös aiemmin yhdistetty valkoiseen laikukkuuteen eri lypsykarjaroduilla ja muilla lajeilla (taulukko 1, lisätiedostot 2 ja 3).

Löysimme myös oletettuja valittuja ehdokkaita alueita, jotka ovat saattaneet muovata Ankolen massiivisen sarven. Arvioimme aluksi aiemmin raportoitua ehdokasvarianttia, joka on vastuussa sarvien esiintymisestä holsteinilla . Kaikissa Ankole-näytteissä näkyi genotyyppi G/G kohdassa BTA1:1390292G > A, mikä osoittaa, että Ankole noudatti sarvipäisen holstein-karjan genotyyppiä . Geenien ontologian (GO) termien yliedustusanalyysi (lisätiedosto 4) osoittaa, että Ankole on lisännyt GO-luokkia, jotka liittyvät fibroblastikasvutekijän (FGF) signaalireittiin (MAP3K5, PPP2R2C, FGF18 ja FRS3, P00021) ja luuston kehitykseen ACVRL1, CASR, TLX3, ACVR1B ja RUNX3, GO:0001501). Kumpikaan termi ei ollut rikastunut positiivisesti valituista geeneistä millään muulla afrikkalaisella naudalla, mikä viittaa siihen, että ne voivat siten liittyä rodussa havaittuun äärimmäiseen sarvenkehitykseen. Sarvi on otsaluun ulokkeena, jota peittää sitkeä, modifioidusta epiteelistä koostuva kuori, joka on peräisin iho- ja ihonalaisesta sidekudoksesta . FGF-signalointireitti sisältää FGF18:n (XP-CLR = 182.3), joka on vastuussa osteoblastien erilaistumisesta calvariaalisen luun kehityksen aikana ja liittyy kondrosyyttien proliferaatioon hiiressä. Nämä geenit yhdessä saattavat olla syynä Ankole-sarven erityiseen morfologiaan verrattuna muihin nautaeläimiin.

Afrikkalaisen karjan sopeutuminen punkkihaasteisiin

Afrikkalaiset nautarodut ovat kehittyneet sopeutumaan Saharan eteläpuolisessa Afrikassa vallitseviin ankariin ympäristöolosuhteisiin, kuten trooppisiin eläintauteihin, korkeaan auringon säteilyyn ja lämpötilaan, kuivuuteen ja huonoon ravitsemustilaan . Nämä ympäristöolosuhteet vallitsevat kaikkialla Saharan eteläpuolisessa Afrikassa, ja positiivisen valinnan voidaan olettaa olevan yleistä afrikkalaisille roduille. Tämän tutkimiseksi kaikki afrikkalaiset rodut yhdistettiin ja niitä verrattiin kaupallisiin rotuihin yhteisen ja ainutlaatuisen afrikkalaisen genomikohtaisen valinnan tunnusmerkin tunnistamiseksi. Tässä vertailussa XP-CLR- ja XP-EHH-analyysit paljastavat syrjäisiä ikkunoita (ylimmät 0,5 %), joissa on 252 geeniä (lisätiedostot 2 ja 3). Näistä löytyi alue, joka sisältää naudan lymfosyyttiantigeenin (BOLA, XP-EHH = 1,19, XP-CLR = 110,1) geenin. Tutkiessamme aluetta yksityiskohtaisesti tunnistimme kuusi BOLA-haplotyyppilohkoa, joissa afrikkalaisten nautojen tärkeimmät haplotyypit vastaavat vastakkaisia tai vähäisiä haplotyyppejä kaupallisilla naudoilla (lisätiedosto 1: kuva S9). BOLA-DRB3:n alleeleillä oli yhteys resistenssiin punkkien (Boophilus microplus) tartuntaa vastaan naudoilla . Naudan lymfosyyttiantigeenikompleksia on tutkittu laajasti viimeisten 30 vuoden aikana, koska se on tärkeä isännän immuniteetissa . Useimmissa tutkimuksissa on keskitytty muihin BOLA-perheen jäseniin ja niiden merkitykseen loistaudeissa, ja näin ollen tämän BOLA-geenin toiminnan selvittäminen afrikkalaisilla naudoilla voi avata mekanismeja, jotka ovat taustalla BOLA-kompleksin ja synnynnäisen immuniteetin välisessä vuorovaikutuksessa useita tärkeitä trooppisia loistauteja, kuten itärannikkokuumetta vastaan .

Lämmönsietokyky afrikkalaisilla naudoilla

Lämmönsäätelystä vastaavien genomialueiden tunnistamiseksi afrikkalaisilla naudoilla valitsimme a priori kandidaattigeenejä käyttämällä 13:aa aiemmin tunnistettua lämmönsietokyvyn kvantitatiivisen ominaisuuslokuksen (QTL) aluetta ja 18:a lämpösokkiproteiinia. Yksikään näistä alueista ei saanut tukea yhteisistä mittareistamme XP-EHH ja XP-CLR. Tämän jälkeen analysoimme haplotyyppihomotsygotian mallia afrikkalaisessa naudassa verrattuna eurooppalaiseen ja aasialaiseen tauriiniin (lauhkeilla alueilla kehitetyt kaupalliset rodut). Aiempien tulostemme mukaisesti havaitsimme, että haplotyyppien jakaminen oli paljon laajempaa kaupallisissa roduissa, kun tutkittiin satunnaisia genomialueita (lisätiedosto 1: kuva S10). Tarkasteltaessa ehdokasalueita afrikkalaisilla roduilla verrattuna kaupallisiin rotuihin havaittiin kuitenkin, että afrikkalaisilla naudoilla on huomattavan pitkiä haplotyyppejä yhdessä kuumuuden sietokyvyn QTL:ssä (BTA22, 10,03-11,0 Mb) (kuva 5a) ja yhdessä lämpösokkiproteiinissa, lämpösokkiproteiini 70 kDa:n proteiini 4:ssä (heat shock 70 kDa protein 4 (HSPA4)) (Lisätiedostossa 1: kuva S11), mikä viittaa lämpösokin sietokyvyn valikoivaan pyyhkäisykehitykseen tältä alueelta. Solujen sietokykyä lämpöstressiä vastaan välittää lämpösokkiproteiinien perhe. Lämpösokkiproteiini 70 on tunnettu siitä, että se edistää solujen suojautumista lämpövaurioilta ja estää proteiinien denaturoitumista. Näiden kahden alueen haplotyyppijakauman todettiin olevan laajempi afrikkalaisilla B. indicus -rotuisilla naudoilla kuin n’dama-rotuisilla naudoilla, mikä vastaa aiempaa raporttia, jonka mukaan seborodut pystyvät paremmin säätelemään ruumiinlämpöä lämpöstressin vaikutuksesta. Tässä tunnistettua kuumuuden sietokyvyn QTL-aluetta tukevat myös useat positiivisen valinnan merkit B. indicus -populaatioissa, joissa näkyy kohonnut linkage-disequilibrium ja suuri populaatioiden välinen eroavuus (Fst) verrattuna taurorotuihin (kuva 5a).

Havaitsimme myös vahvan signaalin positiivisesta valikoitumisesta superoksididismutaasi 1 (SOD1, XP-CLR = 333.3) -geenissä (Additional file 3) sekä afrikkalaisissa ja kaupallisissa roduissa että B. indicuksessa ja kaupallisissa roduissa tehdyissä vertailuissa. Okado-Matsumoto ja Fridovich ovat osoittaneet, että lämpösokkiproteiinien sitoutuminen motoneuroneissa runsaasti esiintyvien proteiinien, kuten SOD1:n, mutantteihin tekee lämpösokkiproteiinien antiapoptoottiset toiminnot mahdottomiksi. Ottaen huomioon, että B. indicus -karja on paremmin sopeutunut korkeampaan ympäristön lämpötilaan ja että valintasignaali oli voimakkaampi B. indicus -karjassa, tehtiin lisävertailuja ainoastaan B. indicus -karjan ja kaupallisten rotujen välillä. Tässä geenissä sijaitsevien varianttien toiminnallisessa annotaatiossa tunnistettiin missense-mutaatio (p.Ile95Phe) SOD1:n eksonissa 3 ainoastaan B. indicus -populaatiossa. Tämä ei-synonyyminen mutaatio on kaupallisissa roduissa havaitusta mallista poiketen lähes fiksoitunut (95 %) seepupopulaatioissa (kuva 5b). Nämä tulokset viittaavat siihen, että SOD1-geenin variaatioilla voi olla tärkeä rooli afrikkalaisen karjan havaituissa kuumuuden sieto-ominaisuuksissa.

Uusi tutkimus on laajentanut klassisen prolaktiinibiologian soveltamisalaa . Se osoittaa, että prolaktiinin signalointireitti ei osallistu ainoastaan laktaatioon, vaan sillä on myös vaikutusta karvamorfologiaan ja lämmönsäätelyyn liittyviin fenotyyppeihin pääasiassa tauriinia sisältävillä Senepol-karjalla. Tätä välittävät todennäköisesti kaksi vastavuoroista mutaatiota prolaktiinin (PRL) ja sen reseptorin (PRLR) geeneissä . Analysoitaessa kaikkia afrikkalaisia nautoja yhdessä kaupallisiin rotuihin verrattuna havaittiin merkittävä valintasignaali, joka oli voimakkaampi, jos tarkastellaan vain B. indicus -rotua (taulukko 1), prolaktiinia vapauttavan hormonin (PRLH, XP-EHH = 1,49) geenialueella, joka stimuloi prolaktiinin vapautumista ja säätelee prolaktiinin ilmentymistä. Tämän jälkeen havaitsimme, että yksi ei-synonyyminen SNP eksonissa 2, joka koodaa p.Arg76His-substituutiota, on erittäin konservoitunut B. indicus -karjapopulaatiossa (73 %) ja puuttuu kaupallisesta tauriinista (Additional file 1: Figure S12). Nämä tulokset yhdessä viittaavat siihen, että PRLH-mutaatio saattaa antaa valikoivan edun prolaktiinin ilmentymisen säätelyssä, mikä saattaa liittyä afrikkalaisen karjan, erityisesti B. indicus -lajin, termotoleranssiin.

GO-analyysimme (Lisätiedosto 4) paljasti merkittävimmän rikastumisen Wnt-signaalin välityksellä tapahtuvaan viestinvälitykseen (P00057) sekä ihon verenkierron säätelyyn osallistuviin reitteihin: endoteliinisignaalin välitykseen liittyvään reittiin (P00019) ja histamiinin H1-reseptorivälitteiseen signalointitiehen (P04385). Ihon verenkierron lämmönsäätely on elintärkeää normaalin ruumiinlämpötilan ylläpitämiseksi lämpöhomeostaasin haasteiden aikana, ja erityisesti ihon verenkierron nousu kehon lämmittämisen aikana sisältää H1-histamiinireseptorikomponentin . Nämä reitit saattavat kehittyä nopeasti afrikkalaisilla naudoilla, mikä saattaa selittää niiden täysin erilaisen lämmönsietokyvyn solu- ja fysiologisella tasolla verrattuna lauhkeisiin nautarotuihin.