The genome landscape of indigenous African cattle

Sequencing, assembly, and identification of single nucleotide polymorphisms

Individual genomes of 48 indigenous African (Boran, Ogaden, Kenana, Ankole és N’Dama) szarvasmarhák egyedeinek genomjait egyenként ~11 X lefedettséggel generáltuk, és közösen genotipizáltuk a kereskedelmi szarvasmarhafajták (Angus, Jersey, Holstein és Hanwoo) nyilvánosan elérhető genomjaival (ábra. 1a, 1. kiegészítő fájl: S1 megjegyzés, S1 táblázat). Ezek a fajták a Bos indicus (Boran, Ogaden és Kenana), az afrikai Bos taurus (N’Dama), az európai-ázsiai Bos taurus és a sanga (Ankole, taurin és zebu keresztezése) . Összesen 6,50 milliárd olvasatot vagy ~644 Gbp szekvenciát generáltak. A Bowtie 2 segítségével a leolvasásokat a taurin UMD 3.1 referencia genom szekvenciájához igazítottuk, 98,84%-os átlagos igazítási rátával, amely a referencia genom 98,56%-át fedte le (Additional file 1: S2 táblázat). A zebu Nellore korábbi elemzésével összhangban az afrikai B. indicus mintáknak az UMD 3.1 referencia genomhoz való általános igazítási aránya hasonlónak bizonyult, mint az afrikai taurin minták esetében (Additional file 1: S2. táblázat). A potenciális PCR-duplikátumok kiszűrése és az INDEL-ek jelenléte miatti téves illeszkedések korrigálása után a GATK 3.1 segítségével kimutattuk az egynukleotid-polimorfizmusokat (SNP-k). Számos szűrési lépést alkalmaztunk a hamis pozitív hívások számának minimalizálása érdekében, mielőtt a jelölt SNP-ket felhasználtuk volna a további elemzésekben. Az SNP-ket különösen a következő kritériumok alapján távolítottuk el: phred-skálázott minőségi pontszám, térképezési minőség, minőségi mélység és phred-skálázott P-érték (lásd “Módszerek”). Végül összesen ~37 millió SNP-t tartottak vissza, és a fajtaspecifikus SNP-ket az SnpSift segítségével azonosították (1b. ábra, 1. kiegészítő fájl: S3. táblázat). A 45 afrikai mintából származó genomi DNS-t ezen felül genotipizáltuk a BovineSNP50 Genotyping BeadChip (Illumina, Inc.) segítségével, hogy értékeljük az újraszekvenálási adatokból történő SNP-meghívás pontosságát. A BovineSNP50 Genotyping BeadChip SNP-k és az újraszekvenálási eredmények között ~95%-os általános genotípus-megegyezést figyeltünk meg a mintákban, ami bizalmat ad az SNP-meghívás pontosságának (Additional file 1: Table S4).

Afrikai genomdiverzitás és kapcsolatok

Egyetlen nukleotid polimorfizmusok

Az 1b. ábra az egyes fajtákban jelen lévő SNP-k számát szemlélteti, beleértve a fajtaspecifikus SNP-ket is, a számokat a Additional file 1: Table S5 tartalmazza. A különböző szarvasmarha-vonalakat vizsgálva a legnagyobb számú SNP-t a zebu szarvasmarháknál (Boran, Kenana, Ogaden) találjuk, ahol az SNP-k nagy többsége homozigóta a három fajtában, amelyek a jelölt afrikai zebu vonal specifikus változatait képviselik. A legtöbb SNP (65,13%) az intergenikus régiókban volt jelen. A fennmaradó SNP-k a nyílt leolvasási keret előtt (3,90%) és után (3,96%), intronokban (26,0%) és nem transzlált régiókban (UTR, 0,240%) helyezkedtek el. Az exonok az összes SNP 0,69%-át tartalmazták, 115 439 miszense és 1336 nonsense mutációval (Additional file 1: Table S5).

A nukleotiddiverzitás a polimorfizmus mértékét méri egy populáción belül, és úgy határozzák meg, hogy a minta populációjából véletlenszerűen kiválasztott két DNS-szekvencia között helyenként átlagosan hány nukleotid különbség van . Az egész genomra kiterjedő 10 Mb-os ablak skálán a kereskedelmi európai fajták az összes őshonos afrikai fajtához képest csökkent nukleotiddiverzitást mutatnak (2d. ábra). Itt a nukleotiddiverzitás csökkent szintje a teljes genom szintjén várható, és valószínűleg a generációk során végbement intenzív mesterséges szelekció és/vagy genetikai sodródás eredménye, amelyet alacsony effektív populációmérettel jellemezhető demográfiai előzmények követtek. Érdekes módon az N’Dama is viszonylag alacsony genetikai diverzitást mutat, ami talán a kezdeti alacsony effektív populációméret és/vagy a betegségeket követő populációs szűkület öröksége. A nukleotiddiverzitás az afrikai zebu (Boran, Ogaden, Kenana) és az Ankole sanga esetében a legmagasabb. Ezek keverék taurin × zebu fajták, viszonylag nagy effektív populációmérettel. A kereskedelmi hanwoo viszonylag magas nukleotiddiverzitása a többi kereskedelmi fajtához képest gyengébb, célzott és rövidebb szelekciós múltat tükrözhet .

Populációs struktúra és kapcsolatok

Az autoszomális SNP-k genotípusadatain (2a. ábra) főkomponens-elemzést (PCA) végeztünk az EIGENSTRAT segítségével. Az elemzés figyelmen kívül hagyja a fajtatagságot, de ennek ellenére egyértelmű fajtaszerkezetet mutat, mivel az azonos fajtából származó minták együttesen klasztereződnek. Az első két PC, amelyek a teljes variáció 16,0%-át, illetve 3,4%-át magyarázzák, elválasztja az afrikai és a nem afrikai fajtákat, az Ankole szarvasmarhával a köztes pozícióban. Az afrikai, kereskedelmi és taurin mintákon külön-külön alapuló PCA (Additional file 1: S1 ábra) nem mutat bizonyítékot a fajták közötti keveredésre vagy a fajtákon belüli kiugró állatok jelenlétére.

A populációkon belüli keveredés mértékének további megértéséhez STRUCTURE-t használtunk az SNP-k egy véletlenszerűen kiválasztott részhalmazán (~20 000 SNP). A K értéket 1-ről 9-re növeltük, ahol K az őspopulációk feltételezett száma (2b. ábra és Additional file 1: S2 ábra). Az elemzés K = 2-t javasolta a mintáinkon belül a genetikailag elkülönülő csoportok legvalószínűbb számaként (2b. ábra), ami a taurin és a zebu szarvasmarha populációban való eltérést tükrözi. K = 3 esetén az Ankole egyértelmű bizonyítékot mutatott a genetikai heterogenitásra az afrikai (N’Dama), ázsiai zebu és kereskedelmi (Holstein, Jersey, Angus, Hanwoo) taurin genetikai háttérrel közös genomi ősökkel. A K növekvő értékei a kereskedelmi populációban a fajtahomogenitás magasabb szintjét jelezték az afrikai zebu fajtákhoz képest. Ezen túlmenően a szomszéd-összekötő fa (2c. ábra) minden fajtát külön kládban különít el. Az európai fajták együtt csoportosulnak, majd a Hanwoo és a N’Dama fajtákkal. Hasonlóképpen az összes afrikai zebufajta együtt klasztereződik, és az Ankole állatok a zebu és a N’Dama között egy köztes pozícióban találhatók.

Demográfiai előzmények és migrációs események

A tényleges populációméret időbeli változása a 3a. ábrán és az 1. kiegészítő fájlban látható: S3 ábra. Úgy tűnik, hogy a N’Dama a többi afrikai populációhoz képest erősebb populációcsökkenést szenvedett el. Ez a megfigyelés összeegyeztethető egy kezdeti populációs szűk keresztmetszettel, amely az őspopulációnak a trópusi, szubhumid és nedves nyugat-afrikai környezetbe való érkezését és alkalmazkodását követte. Ezek a nyugat-afrikai szarvasmarha-populációk a közelmúltban új környezeti hatásoknak voltak kitéve, amelyek erős alkalmazkodási korlátokat jelentettek (pl. új kórokozók, beleértve a parazitákat is). Ezen túlmenően az Ogaden és Kenana becslései a populáció méretének enyhe növekedését mutatják 1000 évvel ezelőtt, ami megfelel a kontinens szarván keresztül a zebu első érkezési hullámának . Mindegyikben közös a körülbelül 10 000 BP-től kezdődő populációcsökkenés, ami valószínűleg a neolitikus háziasítási események következménye .

Aztán rekonstruáltuk a kilenc fajta maximum likelihood-fáját (3b. ábra) és reziduális mátrixát (Additional file 1: S4 ábra) a Treemix segítségével, hogy foglalkozzunk a populációtörténeti kapcsolatokkal, és azonosítsuk az e fa által megragadottól független, egymással rokonságban álló populációpárokat. A fához szekvenciálisan migrációs eseményeket hozzáadva azt találtuk, hogy egy következtetett migrációs él a legkisebb reziduummal rendelkező fát eredményezi, és így a legjobban illeszkedik az adatokhoz (Additional file 1: S4 ábra). Megfigyeltünk egy statisztikailag szignifikáns migrációs élt (P < 2,2E-308), amelynek becsült súlya 11,4%; ez az él bizonyítékot szolgáltat az európai B. taurusból (amelyet itt a Jersey, Holstein és Angus képvisel) Ankoleba történő génáramlásra. Az utóbbi években az Ankole szarvasmarhákat egyre gyakrabban keresztezték taurin fajtákkal, beleértve a holstein szarvasmarhákat is, amelyeket először 50 évvel ezelőtt hoztak be Ugandába.

Az afrikai szarvasmarhák alkalmazkodása a környezeti stresszhez és az emberi szelekcióhoz

Az afrikai szarvasmarhafajták genomját hasonlítottuk össze, hogy az egyes fajtákon belül azonosítsuk a környezeti és emberi szelekciós nyomást követő pozitív szelekció jeleit. Az SNP-chip-adatokkal ellentétben, ahol a diverzitás túlbecsült a taurine vonalban és alulbecsült az indicine vonalban , a teljes genom szekvenálás képes legyőzni a megállapítási torzítás e korlátját, hogy megfelelően lehetővé tegye mindkét populáció populációelemzését és a szelekció célpontjainak azonosítását az afrikai B. indicusban is. Különösen az extrém haplotípus-homozigozitást és az allélfrekvenciák differenciálódását vizsgáltuk a kiterjesztett kapcsolt régiókban a populációkon átnyúló kiterjesztett haplotípus-homozigozitás (XP-EHH) és a populációkon átnyúló összetett valószínűségi arány (XP-CLR) segítségével. Figyelembe véve az afrikai B. indicus fajták közötti szoros genetikai távolságot (Additional file 1: S6. táblázat), a N’Dama és Ankole szarvasmarhafajtákat külön-külön hasonlítottuk össze az összes többi afrikai fajtával az afrikai fajtaspecifikus szignatúrák azonosítása érdekében. Az XP-EHH kis mintaméret (mindössze tíz minta) mellett is fenntartja a teljesítményt. Ezen túlmenően, ha a populációpárok közötti genetikai távolság (F ST ) becsült értéke nagyobb vagy közel 0,05, mint a mi elemzéseinkben (Additional file 1: Table S6), akkor populációnként kevesebb mint 20 egyed elegendő lehet a populációk differenciálódásának elemzéséhez . A genomi régiók populációk közötti összehasonlításának lehetővé tétele érdekében a genomot 50 Kb-os, nem átfedő szegmensekre osztottuk. A kiugró régiókat (az XP-EHH vagy XP-CLR statisztikák felső 0,5%-a) fajtaspecifikus jelölt régióknak tekintettük a további elemzéshez (haplotípusok és polimorfizmusok). Az egyes összehasonlítások nyers XP-EHH és XP-CLR értékeinek eloszlása és az SNP-sűrűség az egyes nem átfedő 50 kb-os ablakokban az 1. kiegészítő fájlban található: S5-S7 ábrák.

A N’Dama alkalmazkodása a trypanoszóma-kihíváshoz

Először azt vizsgáltuk, hogy a trypanoszóma-kihívással szembeni tolerancia milyen hatással lehetett az afrikai szarvasmarha genomjára. Az afrikai trypanoszómák olyan extracelluláris protozoon paraziták, amelyek súlyos betegségeket okoznak az emberekben (álomkór) és a háziállatokban (nagana); körülbelül 60 millió ember és 50 millió szarvasmarha él a trypanoszómafertőzés kockázatának kitéve . Néhány “trypanotoleráns” őshonos afrikai szarvasmarhafajta közül a nyugat-afrikai N’Dama a legjellemzőbb, míg az “új jövevény” B. indicus általában igen fogékony a trypanoszomózisra . Ezért összehasonlítottuk a N’Dama genomját az összes többi afrikai szarvasmarhafajtával.

Az XP-EHH és az XP-CLR elemzés kiugró ablakai 124, illetve 106 gént tartalmaznak, amelyek közül 28 közös volt mindkét elemzésben (1. táblázat, Additional files 2 és 3). Ez a viszonylag szerény átfedés valószínűleg a teljes (XP-EHH) vagy a nem teljes szelektív söprés (XP-CLR) által érintett régiók kimutatására tervezett tesztek közötti teljesítménykülönbségből adódott.

Ezek között találtuk a HCRTR1-et (XP-CLR = 597.3), amely a hipokretin receptor A-t kódolja (4. ábra), amely a G-kapcsolt receptorok szupercsaládján belül az I. osztályú alcsaládba tartozik, és Ca2+-mobilizációhoz kapcsolódik. A hipokretineket a laterális hipotalamusz és a perifornikus területek neuronjainak egy kis csoportja termeli, és részt vesznek az emlősök táplálkozási viselkedésének szabályozásában . Más afrikai szarvasmarhákkal összehasonlítva az N’Dama szinte tiszta haplotípus-homozigozitást mutat a HCRTR1 régióban, és hét nem szinonim variánst is kimutattunk a génben (4b. ábra) (Additional file 1: Table S7). Számos tanulmány jelzi, hogy a hipokretin géneken belüli polimorfizmus összefügg a táplálkozási és ivási viselkedés megváltozásával . Különösen az orexin-A, a G fehérjéhez kapcsolt receptor endogén ligandumai serkentik a táplálékfogyasztást, és az orexin messenger RNS-t a koplalás felszabályozza . Ezek a független vizsgálatok azt jelzik, hogy a hipokretineknek jelentős szerepe van a táplálkozás szabályozásában. Ez magyarázhatja az N’Dama kiváló képességét a testtömeg fenntartására, valamint a trypanoszóma fertőzést követő kedvetlenségnek és leépülésnek való ellenállásra .

A N’Dama szarvasmarhák legalább két további tulajdonsággal érik el a trypanotoleranciát: a vérszegénységgel szembeni ellenálló képesség és a paraziták szaporodásának ellenőrzése . A vérszegénység a Trypanosoma-fertőzés legmarkánsabb és legkövetkezetesebb klinikai jele, és ez a kezelés fő indikátora. Öt olyan gént találtunk a genom olyan régióiban, amelyek feltételezhetően pozitívan szelektálódtak (kiugró ablakok), amelyek a vérszegénységhez kapcsolódnak (SLC40A1, STOM, SBDS, EPB42 és RPS26). A vaskivitelező SLC40A1 (XP-EHH = 3,32, XP-CLR = 831,1) nélkülözhetetlen a vashomeosztázishoz, ezért összefügg a vashiányos vérszegénységgel . Ez a gén a nukleotiddiverzitás helyi csökkenését és kiterjesztett haplotípus-mintázatot mutat (4c. ábra). Figyelemre méltó, hogy az SLC40A1 haplotípusa az N’Dama-ban fix, míg más afrikai szarvasmarhafajtákban és kereskedelmi fajtákban 24%-os, illetve 58%-os gyakoriságú, ami erőteljesen alátámasztja a gén szelekcióját (4d., e. ábra). A sztomatin (STOM, XP-CLR = 525,0) egy ritka humán hemolitikus anémiáról elnevezett gén, amely egy 31 kDa-os integrális membránfehérjét kódol. Az SBDS (XP-EHH = 2,91) EPB42 (XP-CLR = 511,1) gén mutációi felelősek a hipokróm anémiáért és az örökletes hemolitikus anémiáért , míg az RPS26 (XP-CLR = 562,8) gén mutációit Diamond-Blackfan-anémiás betegeknél azonosították .

Ezeket a jelölt géneket tovább vizsgáltuk nem szinonim mutációk után, amelyek feltételezett funkcionális variánsokat képviselnek. Különösen a miszense SNP-k változtattak meg aminosavakat a STOM (p.Met48Val) és az EPB42 (p.Arg503His) fehérjékben. Mindkét allélváltozat teljesen fixált az N’Dama szarvasmarhában, ellentétben az összes többi fajtával (4f. és g. ábra).

A N’Dama-ban pozitívan szelektált gének szignifikánsan (P < 0,05) felülreprezentáltak az “I-kappaB kináz/NF-kappaB kaszkád” (GO:0007249, Additional file 4) területén. A nukleáris faktor-kappaB (NF-kB) transzkripciós faktor központi szerepet játszik a mikrobiális patogénekre adott veleszületett és szerzett immunválaszban, és koordinálja a fertőzés jelenlétére adott sejtválaszokat. Valójában azon molekuláris bizonyítékok alapján, hogy a Trypanosoma cruzi számos sejtben aktiválja az NF-kB-t, az NF-kB-t az emberi álomkórt okozó T. cruzi intracelluláris túlélésének és szöveti tropizmusának meghatározójaként javasolták . Ezek a vizsgálatok arra utalhatnak, hogy az NF-kB kaszkádban részt vevő gének pozitív szelekciót tapasztaltak a N’Dama-ban, hogy megváltoztassák a funkciókat a szarvasmarha trypanoszóma fertőzésének hatékony szabályozása érdekében. Az interleukin 1 receptorszerű 2 (IL1RL2) esetében is jelentős jelet találtunk, összhangban azzal a megfigyeléssel, hogy a gazdaszervezet immunrendszerének a trypanoszómák fertőzésére adott kezdeti válasza magában foglalja a pro-inflammatorikus molekulákat, például IL-1-et kiválasztó makrofágok aktiválódását. Különösen arról számoltak be korábban, hogy a T. brucei fertőzések az IL-1 szekréció növekedését eredményezik.

A humán szelekció hatása az Ankole genomra

Az Ankole és az összes többi afrikai szarvasmarha összehasonlításában 187 gént azonosítottunk a kiugró genomablakokon belül (1. táblázat, kiegészítő fájlok 2 és 3). A feltételezhetően kiválasztott genomi régiók között olyan jelölt lókuszok találhatók, amelyek a szőrszínnel kapcsolatos biológiai funkciókkal rendelkeznek: a melanokortin 1 receptor (MC1R) (XP-CLR = 295,0) és a KIT (XP-EHH = 1,80), amelyeket a fajtán belüli magas szintű haplotípus-homozigozitást mutató haplotípus-megosztási elemzés is alátámaszt (Additional file 1: S8 ábra). Az Ankole szarvasmarhákat masszív fehér szarvak és túlnyomórészt vörös szőrszín jellemzi. Az eredmények összhangban vannak korábbi jelentésekkel, amelyek szerint az MC1R mutációi vörös (vagy gesztenyebarna) szőrszínt eredményeznek különböző fajokban, többek között szarvasmarhákban, lovakban, egerekben és kutyákban . A KIT terméke valószínűleg részt vesz a szőrzet fehér foltosságában, nemcsak a szarvasmarháknál, hanem más háziasított emlősöknél is . Eredményeink összhangban vannak azzal a megfigyeléssel, hogy bár az Ankole szőrzetének színe túlnyomórészt vörös, néha fehér foltos is lehet . Érdekes módon a szintén fekete-fehér jegyeikről ismert holsteinek a KIT gén régiójában ugyanazt a haplotípust (Additional file 1: S8 ábra) használják, mint az Ankole esetében megfigyelt, ami a haplotípus afrikai és európai taurin vonalból való közös eredetére és/vagy az Ankole és a holstein szarvasmarha közelmúltbeli keresztezésére utal. Találtunk továbbá MITF (XP-EHH = 1,90) és PDGFRA (XP-EHH = 2,56, XP-CLR = 319,3) géneket is a kiugró régiókban; ezeket korábban szintén kapcsolatba hozták a fehér foltossággal különböző tejelő szarvasmarhafajtákban és más fajokban (1. táblázat, 2. és 3. kiegészítő fájlok).

Az Ankole-ban találtunk olyan feltételezett jelölt kiválasztott régiókat is, amelyek kialakíthatták a masszív szarvat. Először egy korábban bejelentett, a holsteini szarvak jelenlétéért felelős jelölt variánst értékeltünk . Minden Ankole mintában a BTA1:1390292G > A genotípus G/G volt, ami azt jelzi, hogy Ankole a szarvasmarha szarvú holstein szarvasmarha genotípusát követte . A génontológiai (GO) kifejezések felülreprezentáltsági elemzése (Additional file 4) azt mutatja, hogy Ankole-ban megnövekedett a fibroblaszt növekedési faktor (FGF) jelátviteli útvonalban (MAP3K5, PPP2R2C, FGF18 és FRS3, P00021) és a csontrendszer fejlődésében (ACVRL1, CASR, TLX3, ACVR1B és RUNX3, GO:0001501) részt vevő GO kategóriák száma. Egyik kifejezés sem gazdagodott pozitívan szelektált génekből más afrikai szarvasmarháknál, ami azt jelzi, hogy ezért kapcsolódhatnak a fajtában megfigyelt szélsőséges szarvfejlődéshez. A szarv a homlokcsont kinövése, amelyet a bőr és a bőr alatti kötőszövetből származó, módosított hámból álló kemény héj borít . Az FGF jelátviteli útvonal magában foglalja az FGF18 (XP-CLR = 182.3), amely felelős az osteoblastok differenciálódásáért a calvarialis csontfejlődés során, és egérben a chondrocyte proliferációhoz kapcsolódik. Ezek a gének együttesen megalapozhatják az Ankole szarvának más szarvasmarhákhoz képest eltérő morfológiáját.

Az afrikai szarvasmarha alkalmazkodása a kullancsok kihívásaihoz

Az afrikai szarvasmarhafajták úgy fejlődtek ki, hogy alkalmazkodjanak a szubszaharai Afrikában uralkodó zord környezeti feltételekhez, mint a trópusi állatbetegségek, a magas napsugárzás és hőmérséklet, a szárazság és a rossz tápláltsági állapot . Ezek a környezeti feltételek az egész szubszaharai Afrikában uralkodnak, és a pozitív szelekció jele várhatóan közös az afrikai fajták között. Ennek vizsgálatára az összes afrikai fajtát összevonták és összehasonlították a kereskedelmi fajtákkal a közös és egyedi afrikai genomspecifikus szelekciós jelek azonosítása érdekében. Ebben az összehasonlításban az XP-CLR és XP-EHH elemzések 252 gént tartalmazó kiugró ablakokat (felső 0,5%) mutattak ki (Additional files 2 és 3). Ezek között találtuk a szarvasmarha-limfocita antigént (BOLA, XP-EHH = 1,19, XP-CLR = 110,1) tartalmazó régiót. A régiót részletesen megvizsgálva hat BOLA-haplotípusblokkot azonosítottunk, ahol az afrikai szarvasmarhák főbb haplotípusai megfelelnek a kereskedelmi szarvasmarhák ellentétes vagy a kisebb haplotípusainak (Additional file 1: S9 ábra). A BOLA-DRB3 alléljai összefüggést mutattak a szarvasmarhák kullancs (Boophilus microplus) fertőzéssel szembeni rezisztenciájával . A szarvasmarha-limfocita antigénkomplexet az elmúlt 30 évben széles körben tanulmányozták a gazdaszervezet immunitásában betöltött jelentősége miatt . A legtöbb tanulmány a BOLA család más tagjaira és azok parazita betegségekkel kapcsolatos jelentőségére összpontosított, és így ennek a BOLA génnek az afrikai szarvasmarhákban betöltött funkciójának tisztázása feltárhatja a BOLA komplex és a veleszületett immunitás közötti kölcsönhatás mögött álló mechanizmusokat számos fontos trópusi parazita betegség, például a keleti parti láz ellen .

Hő tolerancia afrikai szarvasmarhában

Az afrikai szarvasmarhák hőszabályozásáért felelős genomi régiók azonosítása érdekében a priori jelölt géneket választottunk ki 13 korábban azonosított hőtűrő mennyiségi tulajdonsági lókusz (QTL) régió és 18 hősokkfehérje felhasználásával. E régiók közül egyiket sem támogatták az XP-EHH és XP-CLR közös metrikáink. Ezután elemeztük a haplotípus-homozigozitás mintázatát az afrikai szarvasmarháknál az európai és ázsiai taurinnal (mérsékelt égövi területeken kifejlesztett kereskedelmi fajták) összehasonlítva. Korábbi eredményeinkkel összhangban azt találtuk, hogy a haplotípus-megosztás sokkal kiterjedtebb a kereskedelmi fajtákban, amikor véletlenszerű genomi régiókat vizsgáltunk (Additional file 1: S10 ábra). Az afrikai fajták jelölt régióit a kereskedelmi fajtákhoz képest vizsgálva azonban figyelemre méltó hosszú távú haplotípusok osztoznak az afrikai szarvasmarhákban az egyik hőtűrő QTL-en belül (BTA22, 10,03-11,0 Mb) (5a. ábra) és az egyik hősokkfehérjében, a hősokk 70 kDa fehérje 4-ben (HSPA4) (Additional file 1: S11 ábra), ami a hőtűrés szelektív söprésére utal ebben a régióban. A hőstresszel szembeni sejtszintű toleranciát a hősokkfehérjék családja közvetíti. A 70-es hősokkfehérje a hőkárosodással szembeni sejtvédelem elősegítésében és a fehérjék denaturációjának megakadályozásában játssza a főszerepet. A haplotípus-megosztás mértéke e két régióban nagyobb mértékűnek bizonyult a B. indicus afrikai szarvasmarháknál, mint a N’Dama fajtánál, ami összhangban van egy korábbi jelentéssel, miszerint a zebu fajták jobban képesek szabályozni a testhőmérsékletet a hőstressz hatására . Az itt azonosított hőtűrő QTL-régiót a B. indicus populációkon belüli pozitív szelekció többszörös jelei is alátámasztják, amelyek a taurin fajtákhoz képest megemelkedett kapcsolódási egyenlőtlenséget és magas populációs divergenciát (Fst) mutatnak (5a. ábra).

A szuperoxid-dizmutáz 1 (SOD1, XP-CLR = 333,3) génnél is erős pozitív szelekciós jelet találtunk (Additional file 3) mind az afrikai és a kereskedelmi fajták, mind a B. indicus és a kereskedelmi fajták összehasonlításában. Okado-Matsumoto és Fridovich kimutatták, hogy a hősokkfehérjék kötődése a motoros neuronokban nagy mennyiségben előforduló fehérjék mutáns formáihoz, mint például a SOD1, a hősokkfehérjék antiapoptotikus funkcióit teszi elérhetetlenné. Tekintettel arra, hogy a B. indicus szarvasmarha jobban alkalmazkodik a magasabb környezeti hőmérséklethez, és a szelekciós jel erősebb volt a B. indicusban, további összehasonlításokat csak a B. indicus és a kereskedelmi fajták között végeztek. A génben található variánsok funkcionális annotációja csak a B. indicus populációban azonosított egy missense mutációt (p.Ile95Phe) a SOD1 3. exonjában. Ez a nem szinonim mutáció, ellentétben a kereskedelmi fajtáknál megfigyelt mintázattal, a zebu-populációkban csaknem elérte a fixációt (95%) (5b. ábra). Ezek az eredmények arra utalnak, hogy a SOD1 gén variációi fontos szerepet játszhatnak az afrikai szarvasmarháknál megfigyelt hőtűrő tulajdonságokban.

Egy nemrégiben végzett vizsgálat kiterjesztette a klasszikus prolaktinbiológia hatókörét . Azt mutatja, hogy a prolaktin jelátviteli útvonal nemcsak a laktációban vesz részt, hanem hatással van a szőrmorfológiára és a hőszabályozási fenotípusokra is a túlnyomórészt taurintartalmú senepol szarvasmarháknál. Ezt valószínűleg a prolaktin (PRL) és receptorának (PRLR) génjeiben lévő két reciprok mutáció közvetíti . Az összes afrikai szarvasmarhát együttesen elemezve a kereskedelmi fajtákkal összehasonlítva, jelentős szelekciós jelet találtunk, amely erősebb, ha csak a B. indicus-t vizsgáljuk (1. táblázat), a prolaktin felszabadító hormon (PRLH, XP-EHH = 1,49) génterületén, amely serkenti a prolaktin felszabadulását és szabályozza a prolaktin kifejeződését. Ezután megfigyeltük, hogy egy nem szinonim SNP a 2. exonban, amely egy p.Arg76His szubsztitúciót kódol, erősen konzervált a B. indicus szarvasmarha-populációban (73%), és hiányzik a kereskedelmi taurinból (Additional file 1: S12 ábra). Ezek az eredmények együttesen arra utalnak, hogy a PRLH mutáció szelektív előnyt biztosíthat a prolaktin expressziójának szabályozásában, ami összefügghet az afrikai szarvasmarhák, különösen a B. indicus termotoleranciájával.

A GO-elemzésünk (Additional file 4) a Wnt-szignalizáció (P00057), valamint a bőr véráramlásának szabályozásában részt vevő útvonalak: az endotelin jelátviteli útvonal (P00019) és a hisztamin H1 receptor által közvetített jelátviteli útvonal (P04385) legjelentősebb gazdagodását mutatta ki. A bőr véráramlásának termoregulációs szabályozása létfontosságú a normál testhőmérséklet fenntartásához a termikus homeosztázis kihívásai során, és különösen a bőr véráramlásának emelkedése a test felmelegedése során tartalmaz egy H1-hisztamin receptoros komponenst . Ezek az útvonalak gyorsan fejlődhetnek az afrikai szarvasmarhákban, ami megmagyarázhatja a mérsékelt égövi szarvasmarhafajtákhoz képest teljesen eltérő mértékű termotoleranciájukat sejtszinten és fiziológiai szinten.