The genome landscape of indigenous African cattle

Sequencing, assembly, and identification of single nucleotide polymorphisms

Indywidualne genomy 48 rdzennych afrykańskich (Boran, Ogaden, Kenana, Ankole, i N’Dama) bydła zostały wygenerowane do ~11 X pokrycia każdy i były wspólnie genotypowane z publicznie dostępnymi genomami komercyjnych ras bydła (Angus, Jersey, Holstein, i Hanwoo) (Fig. 1a, Dodatkowy plik 1: Notatka S1, Tabela S1). Rasy te obejmują Bos indicus (Boran, Ogaden i Kenana), afrykański Bos taurus (N’Dama), europejsko-azjatycki Bos taurus i sanga (Ankole, krzyżówka tauryny i zebu) . W sumie wygenerowano 6,50 miliarda odczytów lub ~644 Gbp sekwencji. Przy użyciu Bowtie 2 odczyty zostały dopasowane do sekwencji genomu referencyjnego tauryny UMD 3.1 ze średnim stopniem dopasowania 98,84%, który obejmował 98,56% genomu referencyjnego (plik dodatkowy 1: Tabela S2). Zgodnie z wcześniejszą analizą zebu Nellore, ogólny wskaźnik dopasowania próbek afrykańskiego B. indicus do genomu referencyjnego UMD 3.1 okazał się porównywalny do tego uzyskanego dla próbek afrykańskiego tauryna (Dodatkowy plik 1: Tabela S2). Po odfiltrowaniu potencjalnych duplikatów PCR i skorygowaniu błędnych dopasowań wynikających z obecności INDELs, wykryliśmy polimorfizmy pojedynczych nukleotydów (SNPs) przy użyciu GATK 3.1 . Przed użyciem kandydujących SNP w dalszych analizach zastosowano kilka etapów filtrowania w celu zminimalizowania liczby fałszywie pozytywnych wywołań. W szczególności, SNP zostały usunięte w oparciu o następujące kryteria: wynik jakości skalowany wg phred, jakość mapowania, głębokość jakości i wartość P skalowana wg phred (patrz „Metody”). W sumie ~37 milionów SNP zostało ostatecznie zachowanych, a SNP specyficzne dla rasy zostały zidentyfikowane przy użyciu SnpSift (ryc. 1b, plik dodatkowy 1: Tabela S3). Genomowe DNA z 45 próbek afrykańskich zostało dodatkowo poddane genotypowaniu przy użyciu BovineSNP50 Genotyping BeadChip (Illumina, Inc.), aby ocenić dokładność wywoływania SNP z danych resekwencjonowania. Zaobserwowaliśmy ~ 95% ogólną zgodność genotypu, między SNP BovineSNP50 Genotyping BeadChip i wynikami resekwencjonowania w próbkach, zapewniając pewność co do dokładności wywoływania SNP (Dodatkowy plik 1: Tabela S4).

Różnorodność genomu afrykańskiego i relacje

Polimorfizmy pojedynczych nukleotydów

Rysunek 1b ilustruje liczbę SNP obecnych w każdej rasie, w tym specyficznych dla rasy, z liczbami podanymi w pliku dodatkowym 1: Tabela S5. Patrząc na różne linie bydła, największa liczba SNP występuje u bydła zebu (Boran, Kenana, Ogaden), gdzie zdecydowana większość SNP jest homozygotyczna we wszystkich trzech rasach reprezentujących kandydujące warianty specyficzne dla linii afrykańskiego zebu. Większość (65,13%) SNP była obecna w regionach intergenicznych. Pozostałe SNP były zlokalizowane przed (3,90%) i za (3,96%) otwartą ramką odczytu, w intronach (26,0%) i regionach nieulegających translacji (UTR, 0,240%). Egzony zawierały 0,69% wszystkich SNPs z 115 439 mutacjami missense i 1336 mutacjami nonsensownymi (plik dodatkowy 1: Tabela S5).

Różnorodność nukleotydowa mierzy stopień polimorfizmu w obrębie populacji i jest zdefiniowana jako średnia liczba różnic nukleotydów na miejsce między dwoma dowolnymi sekwencjami DNA wybranymi losowo z populacji próbki . W skali okna genomu 10 Mb, komercyjne rasy europejskie wykazują obniżony poziom różnorodności nukleotydów w porównaniu do wszystkich rdzennych ras afrykańskich (ryc. 2d). Tutaj, obniżony poziom różnorodności nukleotydów na poziomie całego genomu jest oczekiwany i jest prawdopodobnie wynikiem intensywnej sztucznej selekcji na przestrzeni pokoleń i/lub dryfu genetycznego, po którym nastąpiła historia demograficzna charakteryzująca się niską efektywną wielkością populacji. Co ciekawe, N’Dama również wykazuje stosunkowo niską różnorodność genetyczną, co być może jest pozostałością po początkowej niskiej efektywnej wielkości populacji i/lub wąskim gardłem populacji w następstwie chorób. Różnorodność nukleotydów jest największa wśród afrykańskich zebu (Boran, Ogaden, Kenana) i Ankole sanga. Są to rasy z domieszką tauryny × zebu o stosunkowo dużej efektywnej wielkości populacji. Stosunkowo wysoka różnorodność nukleotydów w komercyjnym Hanwoo może odzwierciedlać słabszą, ukierunkowaną i krótszą historię selekcji w porównaniu z innymi rasami komercyjnymi .

Struktura populacji i relacje

Wykonaliśmy analizę składowych głównych (PCA) danych genotypowych autosomalnych SNPs (ryc. 2a) przy użyciu EIGENSTRAT . Analiza ignoruje przynależność do rasy, ale mimo to ujawnia wyraźne struktury rasowe, ponieważ próbki z tej samej rasy grupują się razem. Pierwsze dwa PCA, wyjaśniające odpowiednio 16,0% i 3,4% całkowitej zmienności, oddzielają rasy afrykańskie od nieafrykańskich, z bydłem Ankole na pozycji pośredniej. PCA oparte na próbkach afrykańskich, komercyjnych i tauryny oddzielnie (Dodatkowy plik 1: Rysunek S1) nie wykazują dowodów na domieszkę między rasami lub obecność zwierząt odstających w obrębie ras.

Aby lepiej zrozumieć stopień domieszki w populacjach, użyliśmy STRUCTURE na losowo wybranym podzbiorze SNP (~20,000 SNPs). Zwiększyliśmy K z 1 do 9, gdzie K jest zakładaną liczbą populacji przodków (Fig. 2b i plik dodatkowy 1: Figura S2). Analiza sugerowała K = 2 jako najbardziej prawdopodobną liczbę genetycznie odrębnych grup w naszych próbkach (Fig. 2b), odzwierciedlając dywergencję bydła taurynowego i zebu w populacji bydła. Przy K = 3, Ankole wykazało wyraźne dowody heterogeniczności genetycznej ze wspólnym rodowodem genomowym z afrykańskim (N’Dama), azjatyckim zebu i komercyjnym (Holstein, Jersey, Angus, Hanwoo) tłem genetycznym tauryny. Rosnące wartości współczynnika K wskazują na wyższy poziom homogeniczności rasy w populacji komercyjnej w porównaniu z afrykańskimi rasami zebu. Ponadto, drzewo sąsiedztwa (ryc. 2c) wyodrębnia każdą rasę w osobnym kladzie. Rasy europejskie skupiają się razem, następnie z Hanwoo i N’Dama. Podobnie, wszystkie afrykańskie rasy zebu grupują się razem, a zwierzęta Ankole znajdują się na pozycji pośredniej między zebu i N’Dama.

Historia demograficzna i wydarzenia migracyjne

Zmiany efektywnej wielkości populacji w czasie pokazano na ryc. 3a i w pliku dodatkowym 1: Ryc. S3. Wydaje się, że N’Dama doznał silniejszego spadku liczebności populacji w porównaniu z innymi populacjami afrykańskimi. Obserwacja ta jest zgodna z początkowym wąskim gardłem populacji po przybyciu i adaptacji populacji przodków w tropikalnym, sub-wilgotnym i wilgotnym środowisku Afryki Zachodniej. Te zachodnioafrykańskie populacje bydła zostały w ostatnich czasach poddane nowym presjom środowiskowym nakładającym silne ograniczenia adaptacyjne (np. nowe patogeny, w tym pasożyty). Ponadto szacunki dotyczące Ogadenu i Kenany wskazują na niewielki wzrost wielkości populacji około 1000 lat temu, co odpowiada czasowi pierwszej fali przybycia zebu przez Róg kontynentu. Wszystkie łączy wspólny spadek populacji rozpoczynający się około 10 000 BP, będący prawdopodobnie konsekwencją neolitycznych wydarzeń związanych z udomowieniem .

Następnie zrekonstruowaliśmy drzewo z maksymalnym prawdopodobieństwem (ryc. 3b) i macierz resztkową (plik dodatkowy 1: ryc. S4) dziewięciu ras przy użyciu Treemix, aby zająć się związkami z historią populacji i zidentyfikować pary populacji, które są ze sobą spokrewnione niezależnie od tych uchwyconych przez to drzewo. Dodając sekwencyjnie zdarzenia migracyjne do drzewa, stwierdziliśmy, że jedna krawędź migracyjna tworzy drzewo o najmniejszych residuach i tym samym najlepiej pasuje do danych (Dodatkowy plik 1: Rysunek S4). Zaobserwowaliśmy statystycznie istotną krawędź migracji (P < 2.2E-308) o szacowanej wadze 11.4%; krawędź ta dostarcza dowodów na przepływ genów z europejskiego B. taurus (reprezentowanego tutaj przez Jersey, Holstein i Angus) do Ankole. W ostatnich latach bydło Ankole są coraz częściej krzyżowane z rasą tauryny, w tym bydła holsztyńskiego, które po raz pierwszy wprowadzono do Ugandy 50 lat temu.

Adaptacja afrykańskiego bydła do stresów środowiskowych i selekcji ludzkiej

Porównaliśmy genomy afrykańskich ras bydła, aby zidentyfikować w każdej rasie sygnatury pozytywnej selekcji po presji środowiskowej i ludzkiej selekcji. W przeciwieństwie do danych z chipów SNP, gdzie różnorodność jest przeszacowana w liniach tauryny i niedoszacowana w liniach indyka, sekwencjonowanie całego genomu może przezwyciężyć tę granicę błędu stwierdzenia, aby właściwie umożliwić analizy populacyjne obu populacji i zidentyfikować cele selekcji w afrykańskim B. indicus, jak również. W szczególności, zbadaliśmy ekstremalną homozygotyczność haplotypów i zróżnicowanie częstotliwości alleli w rozszerzonych regionach powiązanych przy użyciu międzypopulacyjnej rozszerzonej homozygotyczności haplotypów (XP-EHH) i międzypopulacyjnego złożonego współczynnika prawdopodobieństwa (XP-CLR) . Biorąc pod uwagę bliską odległość genetyczną wśród afrykańskiego B. indicus (plik dodatkowy 1: Tabela S6), rasy bydła N’Dama i Ankole zostały oddzielnie porównane ze wszystkimi innymi rasami afrykańskimi w celu identyfikacji afrykańskich sygnatur specyficznych dla danej rasy. XP-EHH utrzymuje moc przy małej liczebności próby (tak niskiej jak dziesięć próbek). Ponadto, gdy szacunki odległości genetycznej (F ST ) między parami populacji są większe lub bliskie 0,05, jak w naszych analizach (plik dodatkowy 1: Tabela S6), mniej niż 20 osobników na populację powinno być wystarczające do analizy zróżnicowania populacji. Aby umożliwić porównania regionów genomowych między populacjami, podzieliliśmy genom na nienakładające się segmenty o długości 50 Kb . Regiony odstające (górne 0,5% statystyk XP-EHH lub XP-CLR) uznano za regiony kandydujące do dalszej analizy (haplotypy i polimorfizmy), specyficzne dla danej rasy. Rozkłady surowych wartości XP-EHH i XP-CLR dla każdego porównania oraz gęstość SNP w każdym nienakładającym się oknie 50-kb są podane w pliku dodatkowym 1: Figury S5-S7.

Adaptacja N’Dama do wyzwania trypanosomowego

W pierwszej kolejności zbadaliśmy, w jaki sposób tolerancja na wyzwanie trypanosomowe mogła wpłynąć na genom bydła afrykańskiego. Trypanosomy afrykańskie są zewnątrzkomórkowym pasożytem pierwotniakowym, który powoduje poważne choroby u ludzi (śpiączka) i zwierząt domowych (nagana); około 60 milionów ludzi i 50 milionów bydła żyje w grupie ryzyka zarażenia trypanosomem. Wśród kilku „trypanotolerancyjnych” rodzimych afrykańskich ras bydła, zachodnioafrykańska N’Dama jest najlepiej scharakteryzowana, podczas gdy „nowicjusze” B. indicus są ogólnie bardzo podatne na trypanosomozę. Dlatego porównaliśmy genom N’Dama z wszystkimi innymi afrykańskimi rasami bydła.

Okna odstające z analizy XP-EHH i XP-CLR obejmują odpowiednio 124 i 106 genów, z których 28 było wspólnych dla obu analiz (Tabela 1, pliki dodatkowe 2 i 3). To stosunkowo skromne nakładanie się prawdopodobnie wynikało z różnicy w mocy testów zaprojektowanych do wykrywania regionów dotkniętych kompletnym (XP-EHH) lub niekompletnym selektywnym wymiataniem (XP-CLR).

Wśród nich znaleźliśmy HCRTR1 (XP-CLR = 597.3) kodujący receptor hipokretyny A (ryc. 4), który należy do podrodziny klasy I w obrębie nadrodziny receptorów sprzężonych z G i jest sprzężony z mobilizacją Ca2+. Hipokretyny są wytwarzane przez niewielką grupę neuronów w bocznej części podwzgórza i obszarach okołokomorowych i są zaangażowane w kontrolę zachowań żywieniowych ssaków. W porównaniu z innym bydłem afrykańskim, N’Dama wykazuje prawie czystą homozygotyczność haplotypową w regionie HCRTR1, a także wykrywamy siedem niesynonimicznych wariantów w tym genie (Ryc. 4b) (Dodatkowy plik 1: Tabela S7). Liczne badania wskazują, że polimorfizm w obrębie genów hipokretyny jest związany ze zmianami w zachowaniach związanych z karmieniem i piciem. W szczególności, oreksyna-A, endogenny ligand dla receptora sprzężonego z białkiem G, stymulowała spożycie pokarmu, a RNA posłańca oreksyny jest wyregulowane przez post. Te niezależne badania wskazują, że hipokretyny mają ważną rolę w regulacji karmienia. Może to tłumaczyć wyższą zdolność N’Dama do utrzymania masy ciała i oparcia się bezruchowi i wycieńczeniu po zakażeniu trypanosomem .

Bydło N’Dama osiąga trypanotolerancję z co najmniej dwoma dodatkowymi cechami: zdolność do przeciwstawiania się niedokrwistości i kontrolowania proliferacji pasożytów. Niedokrwistość jest najbardziej widocznym i spójnym objawem klinicznym zarażenia Trypanosoma i jest głównym wskaźnikiem do leczenia. Znaleźliśmy pięć genów w regionach genomu przypuszczalnie pozytywnie wybranych (okna odstające), które są związane z niedokrwistością (SLC40A1, STOM, SBDS, EPB42 i RPS26). Eksporter żelaza SLC40A1 (XP-EHH = 3.32, XP-CLR = 831.1) jest niezbędny dla homeostazy żelaza i dlatego jest związany z niedokrwistością z niedoboru żelaza. Gen ten wykazuje lokalną redukcję różnorodności nukleotydów i rozszerzony wzór haplotypów (Ryc. 4c). W szczególności, znaleźliśmy stały haplotyp SLC40A1 u N’Dama, z częstotliwością 24% i 58% odpowiednio u innego afrykańskiego bydła i ras komercyjnych, co silnie wspiera selekcję w tym genie (Fig. 4d, e). Stomatina (STOM, XP-CLR = 525.0) jest genem nazwanym na cześć rzadkiej ludzkiej niedokrwistości hemolitycznej i koduje 31-kDa integralne białko błonowe. Mutacje w genach SBDS (XP-EHH = 2.91) EPB42 (XP-CLR = 511.1) są odpowiedzialne za niedokrwistość hipochromiczną i dziedziczną niedokrwistość hemolityczną, odpowiednio, podczas gdy mutacje w genie RPS26 (XP-CLR = 562.8) zostały zidentyfikowane u pacjentów z niedokrwistością Diamonda-Blackfana .

W dalszej kolejności prześwietliliśmy te geny kandydujące pod kątem mutacji niesynonimicznych reprezentujących putatywne warianty funkcjonalne. W szczególności, SNPs missense zmieniły aminokwasy w białkach STOM (p.Met48Val) i EPB42 (p.Arg503His). Oba te warianty alleli są całkowicie stałe u bydła N’Dama, w przeciwieństwie do wszystkich innych ras (ryc. 4f i g).

Geny pozytywnie wyselekcjonowane u N’Dama były znacząco (P < 0,05) nadreprezentowane w „kaskadzie kinazy I-kappaB/NF-kappaB” (GO:0007249, plik dodatkowy 4). Czynnik transkrypcyjny czynnik jądrowy-kappaB (NF-kB) jest centralnym elementem wrodzonej i nabytej odpowiedzi immunologicznej na patogeny mikrobiologiczne, koordynując odpowiedzi komórkowe na obecność infekcji. W rzeczywistości, w oparciu o molekularne dowody, że Trypanosoma cruzi aktywuje NF-kB w wielu komórkach, NF-kB został zasugerowany jako determinant wewnątrzkomórkowego przetrwania i tropizmu tkankowego T. cruzi, który powoduje śpiączkę u ludzi. Badania te mogą sugerować, że geny zaangażowane w kaskadę NF-kB doświadczyły pozytywnej selekcji u N’Dama w celu zmiany funkcji, aby skutecznie regulować infekcję trypanosomem bydła. Znaleźliśmy również znaczący sygnał przy receptorze interleukiny 1 (IL1RL2), co jest zgodne z obserwacją, że początkowa odpowiedź układu odpornościowego gospodarza na zakażenie trypanosomami obejmuje aktywację makrofagów wydzielających cząsteczki prozapalne, takie jak IL-1 . W szczególności, wcześniej donoszono, że infekcje T. brucei powodują wzrost wydzielania IL-1.

Wpływ ludzkiej selekcji na genom Ankole

W porównaniach Ankole vs. wszystkie inne afrykańskie bydło, zidentyfikowaliśmy 187 genów w obrębie okien genomu outlier (Tabela 1, pliki dodatkowe 2 i 3). Przypuszczalnie wybrane regiony genomowe obejmują loci kandydujące, które mają funkcje biologiczne związane z kolorem sierści: receptor melanokortyny 1 (MC1R) (XP-CLR = 295,0) i KIT (XP-EHH = 1,80), z których oba są wspierane przez analizę współdzielenia haplotypów wykazującą wysoki poziom homozygotyczności haplotypów w obrębie rasy (Dodatkowy plik 1: Rysunek S8). Bydło Ankole charakteryzuje się masywnymi białymi rogami i przeważnie czerwonym kolorem sierści. Wyniki te są zgodne z wcześniejszymi doniesieniami, że mutacje w MC1R generują czerwony (lub kasztanowy) kolor sierści u różnych gatunków, w tym bydła, koni, myszy i psów . Produkt KIT jest prawdopodobnie zaangażowany w białą plamistość sierści, nie tylko u bydła, ale także u innych ssaków domowych. Nasze wyniki są zgodne z obserwacją, że podczas gdy kolor sierści Ankole jest przeważnie czerwony, czasami jest również biało nakrapiany. Co ciekawe, Holsztyny, znane również z czarno-białych oznaczeń, mają ten sam haplotyp (Dodatkowy plik 1: Rysunek S8) w regionie genu KIT, który zaobserwowano u Ankole, co wskazuje na wspólne pochodzenie haplotypu w afrykańskiej i europejskiej linii taurynowej i / lub niedawne krzyżowanie Ankole z bydłem holsztyńskim. Znaleźliśmy również geny MITF (XP-EHH = 1,90) i PDGFRA (XP-EHH = 2,56, XP-CLR = 319,3) w obrębie regionów odstających; były one wcześniej również związane z białą plamistością u różnych ras bydła mlecznego i innych gatunków (Tabela 1, pliki dodatkowe 2 i 3).

Znaleźliśmy również kandydujące wybrane regiony, które mogły ukształtować masywny róg u Ankole. Początkowo ocenialiśmy wcześniej zgłoszony wariant kandydujący odpowiedzialny za obecność rogów w Holsztynie . Wszystkie próbki Ankole wykazały genotyp G/G przy BTA1:1390292G > A wskazując, że Ankole podążał za genotypem rogatego bydła holsztyńskiego. Analiza nadreprezentacji terminów ontologii genów (GO) (plik dodatkowy 4) pokazuje, że Ankole ma zwiększoną liczbę kategorii GO zaangażowanych w szlak sygnałowy czynnika wzrostu fibroblastów (FGF) (MAP3K5, PPP2R2C, FGF18, i FRS3, P00021) i rozwój układu kostnego ACVRL1, CASR, TLX3, ACVR1B, i RUNX3, GO:0001501). Żaden z tych terminów nie był wzbogacony o pozytywnie wyselekcjonowane geny u żadnego innego bydła afrykańskiego, co wskazuje, że mogą one być powiązane z ekstremalnym rozwojem rogu obserwowanym u tej rasy. Róg jest wyrostkiem kości czołowej pokrytym twardą skorupą zmodyfikowanego nabłonka, wywodzącego się ze skórnej i podskórnej tkanki łącznej. Szlak sygnalizacyjny FGF obejmuje FGF18 (XP-CLR = 182.3), który jest odpowiedzialny za różnicowanie osteoblastów w trakcie rozwoju kości wyrostka rylcowatego i jest związany z proliferacją chondrocytów u myszy. Te geny razem mogą leżeć u podstaw charakterystycznej morfologii rogu Ankole w porównaniu z innym bydłem.

Adaptacja afrykańskiego bydła do wyzwań kleszczy

Afrykańskie rasy bydła ewoluowały, aby dostosować się do trudnych warunków środowiskowych panujących w całej Afryce Subsaharyjskiej, takich jak tropikalne choroby zwierząt, wysokie promieniowanie słoneczne i temperatura, susza i słabe warunki żywieniowe. Te warunki środowiskowe przeważają w całej Afryce Subsaharyjskiej i sygnał pozytywnej selekcji można oczekiwać, aby być wspólne w całej afrykańskich ras. Aby to zbadać, wszystkie afrykańskie rasy zostały połączone i porównane z ras komercyjnych w celu identyfikacji wspólnych i unikalnych afrykańskich genomów specyficznych podpis selekcji. W tym porównaniu, XP-CLR i XP-EHH analizy ujawniają odstające okna (top 0,5%) z 252 genów (pliki dodatkowe 2 i 3). Wśród nich znaleźliśmy region obejmujący gen antygenu limfocytów bydlęcych (BOLA, XP-EHH = 1.19, XP-CLR = 110.1). Badając szczegółowo ten region zidentyfikowaliśmy sześć bloków haplotypów BOLA, gdzie główne haplotypy bydła afrykańskiego odpowiadają kontrastującym lub mniejszym haplotypom u bydła handlowego (Dodatkowy plik 1: Rysunek S9). Allele BOLA-DRB3 wykazały związek z odpornością na infestację kleszczy (Boophilus microplus) u bydła. Kompleks antygenów limfocytów bydlęcych był intensywnie badany przez ostatnie 30 lat ze względu na jego znaczenie w odporności gospodarza. Większość badań koncentrowała się na innych członkach rodziny BOLA i ich znaczeniu dla chorób pasożytniczych, a zatem wyjaśnienie funkcji tego genu BOLA u bydła afrykańskiego może odsłonić mechanizmy stojące za interakcją między kompleksem BOLA i wrodzoną odpornością przeciwko kilku ważnym tropikalnym chorobom pasożytniczym, takim jak gorączka wschodniego wybrzeża.

Tolerancja ciepła u bydła afrykańskiego

Aby zidentyfikować regiony genomowe odpowiedzialne za termoregulację u bydła afrykańskiego, wybraliśmy a priori geny kandydujące, wykorzystując 13 uprzednio zidentyfikowanych regionów QTL (quantitative trait loci) tolerancji ciepła i 18 białek szoku cieplnego. Żaden z tych regionów nie był wspierany przez nasze wspólne metryki XP-EHH i XP-CLR. Następnie przeanalizowaliśmy wzór homozygotyczności haplotypów u bydła afrykańskiego w porównaniu z europejskimi i azjatyckimi taurynami (komercyjne rasy rozwinięte na obszarach umiarkowanych). Zgodnie z naszymi poprzednimi wynikami, stwierdziliśmy, że dzielenie haplotypów jest znacznie bardziej rozległe w rasach komercyjnych, gdy badano losowe regiony genomowe (Dodatkowy plik 1: Rysunek S10). Jednakże, patrząc na regiony kandydujące w rasach afrykańskich w porównaniu z rasami komercyjnymi, niezwykłe haplotypy o dużym zasięgu są dzielone przez bydło afrykańskie w obrębie jednego z QTLs tolerancji ciepła (BTA22, 10.03-11.0 Mb) (ryc. 5a) i w jednym z białek szoku cieplnego, białku szoku cieplnego 70 kDa 4 (HSPA4) (Dodatkowy plik 1: Figura S11), wskazując na selektywne zamiatanie dla tolerancji ciepła w tym regionie. Komórkowa tolerancja na stres cieplny jest pośredniczona przez rodzinę białek szoku cieplnego. Białko szoku cieplnego 70 jest godne uwagi za promowanie ochrony komórek przed uszkodzeniem cieplnym i zapobieganie denaturacji białek. Stwierdzono, że stopień współdzielenia haplotypów w tych dwóch regionach jest większy u bydła afrykańskiego B. indicus niż u N’Dama, co jest zgodne z wcześniejszymi doniesieniami, że rasy zebu są w stanie lepiej regulować temperaturę ciała w odpowiedzi na stres cieplny. Zidentyfikowany tutaj region QTL tolerancji na ciepło jest dodatkowo wspierany przez liczne sygnatury pozytywnej selekcji w obrębie populacji B. indicus, wykazujących podwyższone linkage-disequilibrium i wysoką dywergencję populacji (Fst) w porównaniu z rasami taurynowymi (Ryc. 5a).

Znaleźliśmy również silny sygnał pozytywnej selekcji w genie dysmutazy ponadtlenkowej 1 (SOD1, XP-CLR = 333.3) (plik dodatkowy 3) zarówno w porównaniach ras afrykańskich z komercyjnymi, jak i B. indicus z rasami komercyjnymi. Okado-Matsumoto i Fridovich wykazali, że wiązanie białek szoku cieplnego do zmutowanych form białek obficie występujących w neuronach ruchowych, takich jak SOD1, czyni białka szoku cieplnego niedostępnymi dla ich funkcji antyapoptotycznych. Biorąc pod uwagę, że bydło B. indicus jest lepiej przystosowane do wyższej temperatury otoczenia, a sygnał selekcyjny był silniejszy u B. indicus, dalszych porównań dokonano tylko pomiędzy B. indicus a rasami komercyjnymi. Funkcjonalna anotacja wariantów zlokalizowanych w tym genie zidentyfikowała mutację typu missense (p.Ile95Phe) w eksonie 3 SOD1 tylko w populacji B. indicus. Ta niesynonimiczna mutacja, w przeciwieństwie do wzorca obserwowanego u ras komercyjnych, prawie osiągnęła fiksację (95%) w populacjach zebu (Ryc. 5b). Wyniki te sugerują, że warianty w genie SOD1 mogą odgrywać ważną rolę w cechach tolerancji ciepła obserwowanych u bydła afrykańskiego.

Najnowsze badania poszerzyły zakres klasycznej biologii prolaktyny. Pokazuje ono, że szlak sygnałowy prolaktyny jest zaangażowany nie tylko w laktację, ale ma również wpływ na morfologię włosów i fenotypy termoregulacji u bydła z przewagą tauryny Senepol. Najprawdopodobniej pośredniczą w tym dwie wzajemne mutacje w genach prolaktyny (PRL) i jej receptora (PRLR). Analizując wszystkie bydło afrykańskie razem w porównaniu do ras komercyjnych, znaczący sygnał selekcyjny, silniejszy, jeśli badane są tylko B. indicus (Tabela 1), został znaleziony w regionie genu hormonu uwalniającego prolaktynę (PRLH, XP-EHH = 1,49), który stymuluje uwalnianie prolaktyny i reguluje ekspresję prolaktyny. Następnie zaobserwowaliśmy, że jeden niesynonimiczny SNP w eksonie 2, który koduje substytucję p.Arg76His, jest wysoce konserwowany w populacji bydła B. indicus (73%) i nieobecny w komercyjnej taurynie (plik dodatkowy 1: Figura S12). Wyniki te łącznie sugerują, że mutacja PRLH może nadawać selektywną przewagę w regulacji ekspresji prolaktyny, która może być związana z termotolerancją u bydła afrykańskiego, zwłaszcza u B. indicus.

Nasza analiza GO (plik dodatkowy 4) ujawniła najbardziej znaczące wzbogacenie sygnalizacji Wnt (P00057), jak również szlaków zaangażowanych w regulację przepływu krwi w skórze: szlak sygnalizacji endoteliny (P00019) i szlak sygnalizacji pośredniczony przez receptor histaminy H1 (P04385). Termoregulacyjna kontrola skórnego przepływu krwi jest niezbędna do utrzymania prawidłowej temperatury ciała podczas zaburzeń homeostazy termicznej, a w szczególności wzrost skórnego przepływu krwi podczas ogrzewania ciała zawiera komponentę receptora histaminowego H1. Ścieżki te mogą szybko ewoluować u bydła afrykańskiego, co może tłumaczyć ich zupełnie inny stopień termotolerancji na poziomie komórkowym i fizjologicznym w porównaniu do ras bydła umiarkowanych.