アフリカ土着牛のゲノム状況

配列決定、アセンブリ、一塩基多型の特定

アフリカ土着牛48頭の個別ゲノム（ボラン, オガデン、ケナナ、アンコレ、ンダマ）牛をそれぞれ約11 Xのカバレッジで作成し、公開されている商業牛品種（アンガス、ジャージー、ホルスタイン、ハンウー）のゲノムと共同で遺伝子型を決定した（図）。 1a, Additional file 1: Note S1, Table S1)。 これらの品種は、Bos indicus (Boran, Ogaden, Kenana), African Bos taurus (N’Dama), European-Asian Bos taurus, and sanga (Ankole, taurineとzebuの交配) から構成されています。 合計65億リード、約644Gbpの配列が生成されました。 Bowtie 2 を用いて、リードをタウリンの参照ゲノム配列 UMD 3.1 にアラインメントしたところ、平均アラインメント率は 98.84% で、参照ゲノムの 98.56% をカバーした (Additional file 1: Table S2)。 ゼブ・ネロールの解析結果と同様に、アフリカ産B. indicusサンプルの参照ゲノムUMD 3.1に対する全体のアラインメント率は、アフリカ産タウリンサンプルで得られたものと同等であることがわかった（追加ファイル1: 表S2）。 PCR重複の可能性をフィルタリングし、INDELの存在によるミスアラインメントを補正した後、GATK 3.1 を用いて一塩基多型（SNPs）を検出した。 さらに解析に使用する前に、偽陽性コールの数を最小化するためのいくつかのフィルタリングステップを適用した。 特に、SNPは以下の基準に基づいて除去された：phred-scaled quality score、mapping quality、quality depth、phred scaled P value（「Methods」参照）。 最終的に合計約3700万のSNPが保持され、SnpSiftを用いて品種特異的SNPが同定された（図1b、追加ファイル1：表S3）。 リシークエンスデータからのSNPコールの精度を評価するために、45のアフリカのサンプルのゲノムDNAを、BovineSNP50 Genotyping BeadChip (Illumina, Inc.) を用いて追加で遺伝子型決定した。 BovineSNP50 Genotyping BeadChipのSNPとリシーケンスの結果との間に、全サンプルで約95％の遺伝子型の一致が認められ、SNPコールの精度に確信を持つことができました（追加ファイル1：表S4）。

アフリカのゲノムの多様性と関係

一塩基多型

図1bは、品種固有のものを含む、各品種に存在するSNPの数を示し、数字は追加ファイル1：表S5で提供されています。 異なる牛の系統を見ると、SNPの数が最も多いのはゼブ牛（ボラン、ケナナ、オガデン）であり、ここでは、SNPの大部分が、アフリカゼブ系統特有の変種候補を表す3品種にわたってホモ接合体である。 SNPの大部分（65.13％）は遺伝子間領域に存在していた。 残りのSNPはopen reading frameの上流（3.90%）と下流（3.96%），イントロン（26.0%），非翻訳領域（UTR, 0.240%）に位置していた． また、エクソンには全SNPの0.69%が含まれ、ミスセンス変異115,439個、ナンセンス変異1336個が認められた（追加ファイル1：表S5）。

塩基多様性は、集団内の多型の程度を測定し、サンプル集団からランダムに選んだ任意の二つのDNA配列間の部位ごとの平均塩基相違数として定義されている。 ゲノム規模10Mbで比較すると、ヨーロッパの商業品種はアフリカの土着品種に比べてヌクレオチド多様性が低いことがわかる(Fig. 2d)。 これは、何世代にもわたる集中的な人為的淘汰や遺伝的ドリフトに加え、低い有効母集団サイズを特徴とする人口動態の結果であると思われる。 興味深いことに、ンダマも比較的低い遺伝的多様性を示すが、これはおそらく初期の低い有効人口サイズの遺産か、あるいは病気への挑戦後の集団ボトルネックの遺産であろう。 ヌクレオチド多様性はアフリカンゼブ（ボラン、オガデン、ケナナ）およびアンコールサンガで最も高い。 これらはタウリン種とゼブ種の混血種で、比較的大きな有効集団サイズを持つ。 商業的なハンウーにおける比較的高いヌクレオチド多様性は、他の商業品種と比較して、弱く、的を絞った、短い選択履歴を反映しているのかもしれない。 2

Population structure and relationships

EIGENSTRATを用いて常染色体SNPs遺伝子型データ（図2a）の主成分分析（PCA）を実施した。 この分析では品種は無視されるが、同じ品種のサンプルは一緒にクラスタリングされるため、明確な品種構造が明らかになる。 最初の2つのPCはそれぞれ全変動の16.0%と3.4%を説明し、アフリカ品種と非アフリカ品種を分離し、Ankole牛はその中間の位置にあることがわかった。 アフリカ、商業、タウリンのサンプルを別々に基にしたPCA（追加ファイル1：図S1）では、品種間の混血や品種内の異常値動物の存在を示す証拠はなかった。

集団内の混血の程度をさらに理解するために、SNPのランダムに抽出した部分集合（約20000SNPs）に対してSTRUCTUREを使用した。 Kは祖先集団の想定数で、1〜9まで増やした（図2b、追加ファイル1：図S2）。 解析の結果、我々のサンプル内で遺伝的に異なる集団の数として最も可能性が高いのはK = 2であり（図2b）、ウシ集団におけるタウナギとゼブウシの分岐を反映していることが示唆された。 K = 3では、Ankoleはアフリカ（N’Dama）、アジアのゼブ、商用（ホルスタイン、ジャージー、アンガス、ハンウー）のタウリンの遺伝的背景とゲノム祖先を共有する遺伝的異質性の明確な証拠を示した。 Kの値が大きくなるほど、アフリカンゼブ種と比較して商業集団の品種均質性が高くなることが示された。 また、近傍結合木（Fig. 2c）では、各品種がそれぞれ別のクレードに分離されている。 ヨーロッパ品種は一緒に集まり、次にハンウー、ンダマと一緒になる。 同様に、アフリカのゼブ種はすべて一緒に集まり、アンコール種はゼブ種とンダマ種の中間位置に見られる。

人口動態史と移動イベント

有効集団サイズの時間的変化を図3aおよび追加ファイル1に示した。 図S3 N’Damaは他のアフリカの個体群と比較して、より強い個体数の減少に見舞われたようである。 この観察は、祖先集団が西アフリカの熱帯亜湿潤環境に到着し適応した後、最初の集団ボトルネックが発生したことと適合する。 これらの西アフリカの牛集団は、近年、強い適応的制約を与える新たな環境圧力（例えば、寄生虫を含む新しい病原体）にさらされている。 さらに、オガデンとケナナの推定では、大陸の角を通って到着したゼブの最初の波の時期に相当する1000年前頃に、人口規模のわずかな増加を示している。 これは新石器時代の家畜化イベントの結果と考えられる。

次に、集団史関係に対処し、この木で捉えられたものとは無関係に互いに関連している集団のペアを特定するために、Treemixを用いて9品種の最尤樹（図3b）と残留行列（付加ファイル1：図S4）を再構築した。 この木に移動イベントを順次追加していくと、推定された1つの移動エッジが残差の最も小さい木を作り、データに最も適合することがわかった（Additional file 1: Figure S4）。 このエッジは、ヨーロッパのB. taurus（ここではジャージー、ホルスタイン、アンガスで代表）からAnkoleへの遺伝子流出を証明するものである。 近年，Ankole牛は50年前にウガンダに初めて導入されたホルスタイン牛を含むタウリン種との交雑が進んでいる。

環境ストレスと人間による選択に対するアフリカ牛の適応

我々はアフリカ牛品種のゲノムを比較し，環境と人間の選択圧に伴う正の選択の特徴をそれぞれの品種で確認した。 SNPチップデータではタウリンの系統では多様性が過大評価され、インディクスの系統では過小評価されるが、全ゲノム配列決定ではこの確認バイアスの限界を克服し、両集団の集団分析を適切に行い、アフリカB. indicusでも選択の標的を特定することが可能である。 特に、集団横断的拡張ハプロタイプホモ接合度（XP-EHH）と集団横断的複合尤度比（XP-CLR）を用いて、拡張連結領域における極限ハプロタイプホモ接合度と対立遺伝子頻度差異を検討した。 アフリカのB. indicus間の遺伝的距離が近いことを考慮し（追加ファイル1：表S6）、ンダマ種とアンコレ種を他のすべてのアフリカ品種と別々に比較し、アフリカ品種固有のシグネチャーを同定した。 XP-EHHは小さなサンプルサイズ（10サンプル程度）でも検出力を維持することができる。 さらに、我々の解析のように、集団のペア間の遺伝的距離の推定値（F ST）が0.05以上またはそれに近い場合（追加ファイル1：表S6）、集団分化の解析には集団あたり20個体未満で十分であると思われる。 集団間のゲノム領域の比較を可能にするために、ゲノムを50Kbの非重複セグメントに分割した。 異常値領域（上位 0.5% の XP-EHH または XP-CLR 統計値）は品種固有の候補領域とみなし、さらなる解析（ハプロタイプと多型）を行った。 各比較のXP-EHHとXP-CLRの生値の分布と、各重複しない50kbのウィンドウにおけるSNP密度は、追加ファイル1に記載した。 678>

トリパノソーマチャレンジに対するンダマの適応

我々はまず、トリパノソーマチャレンジに対する耐性がアフリカ牛のゲノムにどのような影響を与えた可能性があるかを調査した。 アフリカトリパノソーマは、ヒト（睡眠病）や家畜（ナガナ）に深刻な病気を引き起こす細胞外原虫で、約6000万人と5000万頭の牛がトリパノソーマ感染の危険にさらされて生活している。 トリパノソーマに対する耐性は、西アフリカのンダマ種が最も優れているが、新参のインディカス種は一般にトリパノソーマ症に非常に感受性が高い … XP-EHHとXP-CLR解析の異常値にはそれぞれ124と106の遺伝子が含まれ、そのうち28は両解析に共通していた（表1、追加ファイル2および3）。 この比較的小さな重複は、完全な（XP-EHH）または不完全な（XP-CLR）選択的スイープの影響を受けた領域を検出するために設計されたテスト間の検出力の差に起因すると思われる。

これらの中で、HCRTR1 (XP-CLR = 597.0) を発見し、また、XP-CLR (XP-CLR = 597.0) を発見した。3）をコードするHypocretin receptor A（図4）は、G結合型受容体のスーパーファミリーの中のクラスIサブファミリーに属し、Ca2+の動員に対して結合していることを明らかにした。 ヒポクレチンは視床下部外側と角膜周囲にある小さなニューロン群によって産生され、哺乳類の摂食行動の制御に関与している . 他のアフリカの牛と比較して、ンダマはHCRTR1領域でほぼ純粋なハプロタイプホモ接合性を示し、我々はこの遺伝子に7つの非同義バリアントを検出した（図4b）（追加ファイル1：表S7）。 多くの研究が、ヒポクレチン遺伝子内の多型が摂食・飲水行動の変化と関連していることを示している 。 特に、Gタンパク質共役型受容体の内因性リガンドであるオレキシンAは摂食を刺激し、オレキシンのメッセンジャーRNAは絶食により発現が上昇する . これらの独立した研究は、ヒポクレチンが摂食の調節に大きな役割を担っていることを示唆している。