Het genoomlandschap van inheems Afrikaans vee

Sequencing, assembly, and identification of single nucleotide polymorphisms

Individuele genomen van 48 inheemse Afrikaanse runderen (Boran, Ogaden, Kenana, Ankole, en N’Dama) runderen werden gegenereerd tot ~ 11 X dekking elk en werden gezamenlijk gegenotypeerd met publiek beschikbare genomen van commerciële runderrassen (Angus, Jersey, Holstein, en Hanwoo) (Fig. 1a, aanvullend bestand 1: noot S1, tabel S1). Deze rassen omvatten Bos indicus (Boran, Ogaden, en Kenana), Afrikaanse Bos taurus (N’Dama), Europees-Aziatische Bos taurus, en sanga (Ankole, kruising tussen taurine en zebu) . In totaal werden 6,50 miljard gelezen of ~644 Gbp aan sequenties gegenereerd. Met behulp van Bowtie 2 , werden gelezen uitgelijnd met de taurine referentie genoom sequentie UMD 3,1 met een gemiddelde uitlijning percentage van 98,84% die 98,56% van het referentie-genoom (Additional file 1: Tabel S2) gedekt. In overeenstemming met eerdere analyse van zebu Nellore, bleek de algemene uitlijning van de Afrikaanse B. indicus monsters aan het referentiegenoom UMD 3.1 vergelijkbaar met die verkregen voor de Afrikaanse taurine monsters (Extra bestand 1: Tabel S2). Na het filteren van de potentiële PCR duplicaten en het corrigeren voor misalignments als gevolg van de aanwezigheid van INDELs, detecteerden we single nucleotide polymorfismen (SNPs) met behulp van GATK 3.1 . Verschillende filterstappen om het aantal vals-positieve oproepen te minimaliseren werden toegepast alvorens kandidaat-SNP’s in verdere analyses te gebruiken. In het bijzonder werden SNP’s verwijderd op basis van de volgende criteria: fred-geschaalde kwaliteitsscore, karteringskwaliteit, kwaliteitsdiepte en fred-geschaalde P-waarde (zie “Methoden”). Uiteindelijk werden in totaal ~37 miljoen SNP’s weerhouden en werden rasspecifieke SNP’s geïdentificeerd met behulp van SnpSift (Fig. 1b, Additional file 1: Table S3). Het genomisch DNA van 45 Afrikaanse monsters werd aanvullend gegenotypeerd met behulp van de BovineSNP50 Genotyping BeadChip (Illumina, Inc.) om de nauwkeurigheid van de SNP-calling van de resequencing gegevens te evalueren. We zagen ~95% algemene genotype concordantie, tussen de BovineSNP50 Genotypering BeadChip SNPs en de re-sequencing resultaten over de monsters, die vertrouwen geven op de nauwkeurigheid van SNP calling (Additional file 1: Tabel S4).

Afrikaanse genoomdiversiteit en relaties

Single nucleotide polymorfismen

Figuur 1b illustreert het aantal SNP’s aanwezig in elk ras, met inbegrip van rasspecifieke, met nummers verstrekt in Extra bestand 1: Tabel S5. Kijkend naar de verschillende runderlijnen, wordt het grootste aantal SNPs gevonden in de zeboe runderen (Boran, Kenana, Ogaden), waar de grote meerderheid van de SNPs homozygoot zijn over de drie rassen die kandidaat Afrikaanse zeboe lijnspecifieke varianten vertegenwoordigen. De meeste (65,13%) van de SNP’s waren aanwezig in intergene regio’s. De resterende SNP’s bevonden zich stroomopwaarts (3,90%) en stroomafwaarts (3,96%) van het open leeskader, in introns (26,0%), en onvertakte regio’s (UTR’s, 0,240%). Exonen bevatten 0,69% van de totale SNPs met 115.439 missense en 1336 nonsense mutaties (Additional file 1: Tabel S5).

Nucleotide diversiteit meet de mate van polymorfisme binnen een populatie en wordt gedefinieerd als het gemiddelde aantal nucleotide verschillen per site tussen twee willekeurig uit de steekproefpopulatie gekozen DNA-sequenties. Op een genoombrede schaal van 10 Mb vertonen de commerciële Europese rassen een verlaagd niveau van nucleotidediversiteit in vergelijking met alle inheemse Afrikaanse rassen (Fig. 2d). Het verminderde niveau van nucleotide diversiteit op het gehele genoom niveau wordt hier verwacht en is waarschijnlijk het resultaat van intensieve kunstmatige selectie gedurende generaties en/of genetische drift gevolgd door een demografische geschiedenis die gekenmerkt wordt door een lage effectieve populatiegrootte. Interessant is dat de N’Dama ook een betrekkelijk geringe genetische diversiteit vertonen, wellicht een erfenis van een aanvankelijk geringe effectieve populatiegrootte en/of van een knelpunt in de populatie als gevolg van ziekten. De diversiteit in nucleotiden is het grootst bij de Afrikaanse zeboes (Boran, Ogaden, Kenana) en de Ankole sanga. Dit zijn gemengde taurine × zebu-rassen met een relatief grote effectieve populatieomvang. De relatief hoge nucleotide-diversiteit in de commerciële Hanwoo kan een weerspiegeling zijn van een zwakkere, doelgerichte en kortere selectiegeschiedenis in vergelijking met andere commerciële rassen .

Populatiestructuur en relaties

We voerden principal component analysis (PCA) uit van de autosomale SNP-genotypegegevens (Fig. 2a) met EIGENSTRAT . De analyse negeert raslidmaatschap, maar onthult niettemin duidelijke rasstructuren als monsters van hetzelfde ras samen clusteren. De eerste twee PC’s, die respectievelijk 16,0% en 3,4% van de totale variatie verklaren, scheiden Afrikaanse van niet-Afrikaanse rassen met de Ankole runderen op een tussenpositie. PCA gebaseerd op Afrikaanse, commerciële, en taurine monsters afzonderlijk (Additional file 1: Figuur S1) tonen geen bewijs van vermenging tussen rassen of de aanwezigheid van uitschieters binnen rassen.

Om de mate van vermenging in de populaties verder te begrijpen, gebruikten we STRUCTURE op een willekeurig bemonsterde subset van SNPs (~20.000 SNPs). We verhoogden K van 1 tot 9, waarbij K het veronderstelde aantal voorouderpopulaties is (Fig. 2b en Additional file 1: Figuur S2). De analyse suggereerde K = 2 als het meest waarschijnlijke aantal genetisch verschillende groepen binnen onze monsters (Fig. 2b), wat de divergentie van taurine- en zeboe-runderen in de runderpopulatie weerspiegelt. Bij K = 3 vertoonde Ankole duidelijk bewijs van genetische heterogeniteit met gedeelde genoom voorouders met Afrikaanse (N’Dama), Aziatische zebu, en commerciële (Holstein, Jersey, Angus, Hanwoo) taurine genetische achtergrond. Toenemende waarden van K wezen op hogere niveaus van rashomogeniteit in de commerciële populatie vergeleken met Afrikaanse zeboe-rassen. Bovendien scheidt een buur-toetredingsboom (Fig. 2c) elk ras in zijn eigen aparte clade. Europese rassen clusteren samen, dan met de Hanwoo en de N’Dama. Op dezelfde manier clusteren alle Afrikaanse zeboe rassen samen en worden Ankole dieren gevonden op een tussenpositie tussen zeboe en N’Dama.

Demografische geschiedenis en migratiegebeurtenissen

Variatie van effectieve populatiegrootte door de tijd heen wordt getoond in Fig. 3a en Additioneel bestand 1: Figuur S3. N’Dama lijkt een sterkere afname van de populatie te hebben doorgemaakt in vergelijking met de andere Afrikaanse populaties. Deze waarneming is verenigbaar met een initiële bottleneck van de populatie na de aankomst en aanpassing van de voorouderlijke populatie in de tropische subhumide en vochtige West-Afrikaanse omgeving. Deze Westafrikaanse runderpopulaties zijn de laatste tijd blootgesteld aan nieuwe milieudruk die sterke aanpassingsbeperkingen oplegt (b.v. nieuwe ziekteverwekkers met inbegrip van parasieten). Bovendien vertonen de schattingen van Ogaden en Kenana een lichte toename van de populatieomvang rond 1000 jaar geleden, wat overeenkomt met de tijd van de eerste golf van zeboe’s die door de Hoorn van het continent aankwamen. Alle hebben een gemeenschappelijke afname van de populatie vanaf ongeveer 10.000 BP, een waarschijnlijk gevolg van domesticatiegebeurtenissen in het neolithicum.

Vervolgens reconstrueerden we de maximale waarschijnlijkheidsboom (Fig. 3b) en de residu-matrix (Additional file 1: Figuur S4) van de negen rassen met Treemix om de relaties tussen de populatie-historie te bepalen en om paren van populaties te identificeren die aan elkaar verwant zijn, onafhankelijk van de relaties die door deze boom worden vastgelegd. Door achtereenvolgens migratiegebeurtenissen aan de boom toe te voegen, vonden we dat één afgeleide migratierand een boom oplevert met de kleinste residuen en dus het beste past bij de gegevens (Additional file 1: Figuur S4). We observeerden een statistisch significante migratie-rand (P < 2.2E-308) met een geschat gewicht van 11.4%; deze rand levert bewijs voor de genenstroom van Europese B. taurus (hier vertegenwoordigd door Jersey, Holstein, en Angus) naar Ankole. In de afgelopen jaren zijn Ankole-runderen in toenemende mate gekruist met taurinerassen, waaronder Holstein-runderen, die 50 jaar geleden voor het eerst in Oeganda werden geïntroduceerd.

De aanpassing van Afrikaanse runderen aan omgevingsstress en menselijke selectie

We hebben de genomen van Afrikaanse runderrassen vergeleken om binnen elk ras handtekeningen te identificeren van positieve selectie als gevolg van omgevings- en menselijke selectiedruk. In tegenstelling tot SNP chip data, waar diversiteit wordt overschat in taurine lineages en onderschat in indicine lineages , kan whole-genome sequencing deze limiet van ascertainment bias overwinnen om populatie analyses van beide populaties goed mogelijk te maken en om doelen van selecties in Afrikaanse B. indicus ook te identificeren. In het bijzonder onderzochten we extreme haplotype homozygositeit en allelfrequentie differentiatie over uitgebreide verbonden regio’s met behulp van cross-populatie uitgebreide haplotype homozygositeit (XP-EHH) en de cross-populatie samengestelde likelihood ratio (XP-CLR) . Gezien de nauwe genetische afstand tussen Afrikaanse B. indicus (Additional file 1: Table S6), werden N’Dama en Ankole runderrassen apart vergeleken met alle andere Afrikaanse rassen voor de identificatie van Afrikaanse rasspecifieke handtekeningen. XP-EHH behoudt zijn vermogen bij een kleine steekproefgrootte (tot tien monsters). Bovendien, wanneer schattingen van genetische afstand (F ST ) tussen populatieparen groter zijn dan of dicht bij 0,05, zoals in onze analyses (Additional file 1: Tabel S6), zouden minder dan 20 individuen per populatie voldoende moeten zijn voor analyse van populatiedifferentiatie . Om vergelijkingen van genomische regio’s tussen populaties mogelijk te maken, hebben we het genoom verdeeld in niet-overlappende segmenten van 50 Kb . Outlier regio’s (de top 0,5% XP-EHH of XP-CLR statistieken) werden beschouwd als ras-specifieke kandidaat regio’s voor verdere analyse (haplotypen en polymorfismen). De verdelingen van de ruwe XP-EHH en XP-CLR waarden van elke vergelijking en de SNP dichtheid in elk niet-overlappend 50-kb venster worden gegeven in Additional file 1: Figures S5-S7.

De aanpassing van N’Dama aan trypanosoom challenge

We onderzochten eerst hoe tolerantie voor trypanosoom challenge het genoom van Afrikaanse runderen kan hebben beïnvloed. Afrikaanse trypanosomen zijn extracellulaire protozoaire parasieten die ernstige ziekten veroorzaken bij de mens (slaapziekte) en bij huisdieren (nagana); ongeveer 60 miljoen mensen en 50 miljoen runderen lopen het risico besmet te worden met trypanosomen. Van de weinige “trypanotolerante” inheemse Afrikaanse runderrassen is de West-Afrikaanse N’Dama het best gekarakteriseerd, terwijl de “nieuwkomer” B. indicus over het algemeen zeer vatbaar zijn voor trypanosomose . Daarom hebben we het genoom van de N’Dama vergeleken met dat van alle andere Afrikaanse runderrassen.

Outlier windows van de XP-EHH en XP-CLR analyse omvatten respectievelijk 124 en 106 genen, waarvan er 28 gemeenschappelijk waren voor beide analyses (Tabel 1, Additional files 2 en 3). Deze relatief bescheiden overlapping is waarschijnlijk het gevolg van een verschil in vermogen tussen de tests die zijn ontworpen om regio’s op te sporen die zijn beïnvloed door volledige (XP-EHH) of onvolledige selectieve vegen (XP-CLR).

Van deze regio’s vonden we HCRTR1 (XP-CLR = 597.3) dat codeert voor hypocretinereceptor A (fig. 4), die behoort tot de klasse I-subfamilie binnen de superfamilie van G-gekoppelde receptoren en gekoppeld is aan Ca2+-mobilisatie. Hypocretines worden geproduceerd door een kleine groep neuronen in de laterale hypothalamus en de perifornische gebieden en zijn betrokken bij de controle van het eetgedrag van zoogdieren. Vergeleken met andere Afrikaanse runderen vertonen N’Dama bijna zuivere haplotype homozygositeit in de HCRTR1 regio en we detecteren ook zeven niet-synonieme varianten in het gen (Fig. 4b) (Additional file 1: Tabel S7). Talrijke studies tonen aan dat polymorfisme in hypocretine genen geassocieerd is met veranderingen in eet- en drinkgedrag. In het bijzonder, orexine-A, endogene liganden voor G eiwit gekoppelde receptor, gestimuleerd voedsel consumptie, en orexine boodschapper-RNA is upregulated door vasten . Deze onafhankelijke studies wijzen erop dat de hypocretines een belangrijke rol spelen bij de regulering van de voeding. Dit kan een verklaring zijn voor het superieure vermogen van N’Dama om het lichaamsgewicht op peil te houden en weerstand te bieden tegen lusteloosheid en vermagering na een trypanosoominfectie.

N’Dama-runderen bereiken trypanotolerantie met ten minste twee extra kenmerken: het vermogen om weerstand te bieden tegen bloedarmoede en om de proliferatie van parasieten onder controle te houden . Anemie is het meest prominente en consistente klinische teken van Trypanosoma infectie en het is de belangrijkste indicator voor behandeling . We vonden vijf genen binnen genoomregio’s die vermoedelijk positief geselecteerd zijn (outlier windows) en die geassocieerd zijn met anemie (SLC40A1, STOM, SBDS, EPB42, en RPS26). De ijzerexporteur SLC40A1 (XP-EHH = 3.32, XP-CLR = 831.1) is essentieel voor de ijzerhomeostase en wordt daarom in verband gebracht met bloedarmoede door ijzertekort. Dit gen vertoont een lokale reductie in nucleotide diversiteit en een uitgebreid haplotype patroon (Fig. 4c). Met name vonden we een vast SLC40A1 haplotype in N’Dama, met een frequentie van 24% en 58% in andere Afrikaanse runderen en commerciële rassen, respectievelijk, wat selectie op het gen sterk ondersteunt (Fig. 4d, e). Stomatine (STOM, XP-CLR = 525.0) is een gen dat genoemd is naar een zeldzame menselijke hemolytische anemie en codeert voor een 31-kDa integraal membraaneiwit. Mutaties in SBDS (XP-EHH = 2.91) EPB42 (XP-CLR = 511.1) genen zijn verantwoordelijk voor respectievelijk hypochrome anemie en erfelijke hemolytische anemie, terwijl mutaties in RPS26 (XP-CLR = 562.8) gen zijn geïdentificeerd in Diamond-Blackfan anemie patiënten.

We hebben deze kandidaatgenen verder gescreend op niet-synonieme mutaties die vermoedelijke functionele varianten vertegenwoordigen. Met name missense SNPs veranderden aminozuren in de STOM (p.Met48Val) en EPB42 (p.Arg503His) eiwitten. Beide allelvarianten zijn volledig gefixeerd in N’Dama-runderen in tegenstelling tot alle andere rassen (Fig. 4f en g).

Genenen die positief geselecteerd waren in N’Dama waren significant (P < 0.05) oververtegenwoordigd in “I-kappaB kinase/NF-kappaB cascade” (GO:0007249, Additional file 4). De transcriptiefactor nuclear factor-kappaB (NF-kB) staat centraal in de aangeboren en verworven immuunrespons op microbiële pathogenen, en coördineert cellulaire reacties op de aanwezigheid van een infectie. Op basis van het moleculaire bewijs dat Trypanosoma cruzi NF-kB in een aantal cellen activeert, werd NF-kB gesuggereerd als een determinant van de intracellulaire overleving en weefseltropisme van T. cruzi, die slaapziekte bij de mens veroorzaakt. Deze studies kunnen suggereren dat genen die betrokken zijn bij de NF-kB cascade positieve selectie hebben ondergaan in N’Dama om hun functies te veranderen om effectief de infectie van vee trypanosoom te reguleren. We vonden ook een significant signaal bij interleukine 1 receptor-like 2 (IL1RL2) in overeenstemming met de waarneming dat de initiële reactie van het gastheer-immuunsysteem op trypanosomeninfectie activering van macrofagen omvat die pro-inflammatoire moleculen zoals IL-1 afscheiden. In het bijzonder is eerder gemeld dat T. brucei infecties resulteren in een toename van IL-1 secretie.

De impact van menselijke selectie op Ankole genoom

In de Ankole versus alle andere Afrikaanse runderen vergelijkingen, identificeerden we 187 genen binnen de uitbijter genoom vensters (tabel 1, Additional files 2 en 3). De vermoedelijk geselecteerde genomische regio’s omvatten kandidaat-loci die biologische functies hebben met betrekking tot vachtkleur: melanocortin 1 receptor (MC1R) (XP-CLR = 295.0) en KIT (XP-EHH = 1.80), die beide worden ondersteund door haplotype sharing analyse die een hoog niveau van haplotype homozygositeit binnen het ras laat zien (Additional file 1: Figuur S8). Ankole runderen worden gekenmerkt door hun massieve witte hoorns en overwegend rode vachtkleur. De resultaten zijn in overeenstemming met eerdere rapporten dat mutaties in MC1R rode (of kastanje) vachtkleuren genereren bij verschillende diersoorten waaronder runderen, paarden, muizen en honden. Het product van KIT is waarschijnlijk betrokken bij de witte vlekken van de vacht, niet alleen bij runderen maar ook bij andere gedomesticeerde zoogdieren . Onze bevindingen zijn consistent met de waarneming dat, hoewel de vachtkleur van Ankole overwegend rood is, deze soms ook witgevlekt is . Interessant is dat Holstein, ook bekend om hun zwart-witte aftekeningen, hetzelfde haplotype (Additional file 1: figuur S8) in het KIT-gen regio als degene die waargenomen in Ankole, wat wijst op een gemeenschappelijke oorsprong van het haplotype in de Afrikaanse en Europese taurine lineages en / of recente kruising van Ankole met Holstein runderen. We vonden ook MITF (XP-EHH = 1.90) en PDGFRA (XP-EHH = 2.56, XP-CLR = 319.3) genen binnen de uitbijterregio’s; deze werden eerder ook in verband gebracht met witte vlekken bij verschillende melkveerassen en andere diersoorten (Tabel 1, Additional files 2 en 3).

We vonden ook putatieve kandidaat geselecteerde regio’s die de massieve hoorn bij Ankole zouden kunnen hebben gevormd. We evalueerden eerst een eerder gerapporteerde kandidaat-variant die verantwoordelijk is voor de aanwezigheid van hoorns in Holstein . Alle Ankole monsters vertoonden het genotype G/G bij BTA1:1390292G > A wat aangeeft dat Ankole het genotype van gehoornde Holstein runderen volgde . Over-representatie analyse van gen ontologie (GO) termen (Additional file 4) toont aan dat Ankole verhoogde GO categorieën betrokken bij fibroblast growth factor (FGF) signaalweg (MAP3K5, PPP2R2C, FGF18, en FRS3, P00021) en skeletsysteem ontwikkeling ACVRL1, CASR, TLX3, ACVR1B, en RUNX3, GO:0001501) heeft. Geen van beide termen was verrijkt met positief geselecteerde genen in enig ander Afrikaans rund, wat erop wijst dat ze daarom in verband kunnen worden gebracht met de extreme hoornontwikkeling die bij het ras wordt waargenomen. Hoorn is een uitgroeisel van het voorhoofdsbeen, bedekt met een taai omhulsel van gemodificeerd epitheel, afkomstig van het bindweefsel van de lederhuid en de onderhuid. De FGF-signaalroute omvat FGF18 (XP-CLR = 182.3), dat verantwoordelijk is voor de differentiatie van osteoblasten tijdens de ontwikkeling van het calvariale bot en geassocieerd is met de proliferatie van chondrocyten bij de muis. Deze genen tezamen zouden ten grondslag kunnen liggen aan de onderscheidende morfologie van Ankole hoorn in vergelijking met andere runderen.

De aanpassing van Afrikaans vee aan teek uitdagingen

Afrikaanse runderrassen zijn geëvolueerd om zich aan te passen aan de barre milieu-omstandigheden die heersen in Afrika ten zuiden van de Sahara, zoals tropische veeziekten, hoge zonnestraling en temperatuur, droogte, en slechte voedingstoestand . Deze milieuomstandigheden komen overal in Afrika ten zuiden van de Sahara voor en men mag verwachten dat een signaal van positieve selectie bij alle Afrikaanse rassen aanwezig is. Om dit te onderzoeken, werden alle Afrikaanse rassen gecombineerd en vergeleken met de commerciële rassen voor de identificatie van gemeenschappelijke en unieke Afrikaanse genoom-specifieke signatuur van selectie. In deze vergelijking onthulden XP-CLR en XP-EHH analyses buitenliggende vensters (top 0.5%) met 252 genen (Additional files 2 en 3). Daaronder vonden we de regio die het boviene lymfocyten-antigen (BOLA, XP-EHH = 1.19, XP-CLR = 110.1) gen omvat. Bij nadere bestudering van de regio identificeerden we zes BOLA haplotype blokken waar de belangrijkste Afrikaanse runderhaplotypen overeenkomen met contrasterende of de minder belangrijke haplotypen bij commercieel vee (Additional file 1: Figuur S9). Allelen van BOLA-DRB3 toonden een associatie met resistentie tegen teek (Boophilus microplus) infestatie bij runderen. Het boviene lymfocyten antigeen complex is uitgebreid bestudeerd in de afgelopen 30 jaar vanwege zijn belang in de immuniteit van de gastheer. De meeste studies hebben zich gericht op andere leden van de BOLA familie en hun relevantie voor parasitaire ziekten en dus het ophelderen van de functie van dit BOLA gen in Afrikaanse runderen kan de mechanismen ontrafelen achter de interactie tussen het BOLA complex en de aangeboren immuniteit tegen verschillende belangrijke tropische parasitaire ziekten zoals East Coast Fever .

Hitte tolerantie bij Afrikaans vee

Om genomische regio’s te identificeren die verantwoordelijk zijn voor thermoregulatie bij Afrikaans vee, selecteerden we a priori kandidaatgenen door gebruik te maken van 13 eerder geïdentificeerde kwantitatieve trait loci (QTL) regio’s voor hitte tolerantie en 18 heat shock eiwitten. Geen van deze regio’s werd ondersteund door onze gemeenschappelijke metriek van XP-EHH en XP-CLR. Vervolgens analyseerden we het patroon van haplotype-homozygositeit in Afrikaanse runderen in vergelijking met de Europese en Aziatische taurine (commerciële rassen ontwikkeld in gematigde gebieden). In overeenstemming met onze eerdere resultaten, vonden we haplotype-sharing veel uitgebreider in de commerciële rassen wanneer willekeurige genomische regio’s werden onderzocht (Additional file 1: figuur S10). Echter, kijkend naar de kandidaat-regio’s in Afrikaanse rassen in vergelijking met de commerciële, worden opmerkelijke lange-afstand haplotypen gedeeld over Afrikaanse runderen binnen een van de hitte tolerantie QTLs (BTA22, 10.03-11.0 Mb) (Fig. 5a) en in een van de heat shock eiwitten, heat shock 70 kDa protein 4 (HSPA4) (Additional file 1: Figuur S11), indicatief voor selectieve vegen voor hitte tolerantie in deze regio. Cellulaire tolerantie voor hittestress wordt gemedieerd door een familie van heat shock-eiwitten. Heat shock proteïne 70 is opmerkelijk voor het bevorderen van celbescherming tegen hitteschade en het voorkomen van eiwitdenaturatie. De mate van haplotype-deling in deze twee regio’s bleek groter te zijn bij B. indicus Afrikaanse runderen dan bij de N’Dama, wat consistent is met een eerder rapport dat zeboerassen beter in staat zijn om de lichaamstemperatuur te reguleren als reactie op hittestress. Het hier geïdentificeerde QTL-gebied voor hittetolerantie wordt verder ondersteund door meerdere tekenen van positieve selectie binnen B. indicus-populaties die een verhoogd linkage-disequilibrium en hoge populatiedivergentie (Fst) vertonen in vergelijking met de taurinerassen (Fig. 5a).

Wij vonden ook een sterk signaal voor positieve selectie op het superoxide dismutase 1 (SOD1, XP-CLR = 333.3) gen (Additional file 3) in zowel vergelijkingen tussen Afrikaanse en commerciële rassen als tussen B. indicus en commerciële rassen. Okado-Matsumoto en Fridovich hebben aangetoond dat binding van heat shock eiwitten aan mutante vormen van eiwitten die overvloedig aanwezig zijn in motorische neuronen, zoals SOD1, heat shock eiwitten onbeschikbaar maakt voor hun anti-apoptotische functies. Aangezien B. indicus runderen beter aangepast zijn aan hogere omgevingstemperaturen, en het selectiesignaal sterker was in B. indicus, werden verdere vergelijkingen gemaakt tussen B. indicus en enkel commerciële rassen. Functionele annotatie van varianten gelokaliseerd in dit gen identificeerde een missense mutatie (p.Ile95Phe) in exon 3 van SOD1 alleen in B. indicus populatie. Deze niet-synonieme mutatie heeft, in tegenstelling tot het patroon dat bij commerciële rassen wordt waargenomen, bijna fixatie (95%) bereikt in de zeboe populaties (Fig. 5b). Deze resultaten suggereren dat variaties in het SOD1 gen een belangrijke rol kunnen spelen in de hittetolerantie-eigenschappen van Afrikaanse runderen.

Een recente studie heeft de reikwijdte van de klassieke prolactine biologie uitgebreid. Het toont aan dat de prolactine signaalweg niet alleen betrokken is bij de lactatie, maar ook een invloed heeft op de haarmorfologie en thermoregulatie fenotypen in de overwegend taurine Senepol runderen. Dit wordt hoogstwaarschijnlijk in de hand gewerkt door twee wederkerige mutaties in de genen voor prolactine (PRL) en zijn receptor (PRLR). Bij analyse van alle Afrikaanse runderen samen in vergelijking met commerciële rassen werd een significant selectiesignaal, sterker als alleen B. indicus wordt onderzocht (tabel 1), gevonden in de genregio voor prolactine releasing hormone (PRLH, XP-EHH = 1,49), dat prolactine-afgifte stimuleert en de expressie van prolactine regelt. Vervolgens stelden we vast dat één niet-synonieme SNP in exon 2, die codeert voor een p.Arg76His substitutie, sterk geconserveerd is in de B. indicus runderpopulatie (73%) en afwezig is in de commerciële taurine (Additional file 1: Figuur S12). Deze resultaten samen suggereren dat de PRLH mutatie een selectief voordeel kan geven in het reguleren van prolactine expressie, wat in verband kan worden gebracht met de thermotolerantie bij Afrikaanse runderen, vooral bij B. indicus.

Onze GO analyse (Additional file 4) onthulde de meest significante verrijking van Wnt signalering (P00057) evenals pathways betrokken bij het reguleren van de huiddoorbloeding: endotheline signaleringsroute (P00019) en histamine H1 receptor gemedieerde signaleringsroute (P04385). Thermoregulerende controle van de huiddoorstroming is van vitaal belang voor het handhaven van normale lichaamstemperaturen tijdens uitdagingen van de thermische homeostase en, in het bijzonder, de stijging van de huiddoorstroming tijdens verwarming van het lichaam bevat een H1 histamine receptor component . Deze pathways evolueren mogelijk snel bij Afrikaanse runderen, wat hun totaal verschillende graad van thermotolerantie op cellulair en fysiologisch niveau zou kunnen verklaren in vergelijking met gematigde runderrassen.