Effect of domestication in the pig genome

Abstract

La domesticación animal es un proceso realmente importante en la historia del hombre en el cual se seleccionaron diferentes rasgos de interés de los animales, como puede ser un crecimiento más rápido o una mayor docilidad. Para estudiar la domesticación a nivel genético es necesario identificar una serie de marcadores relacionados con este proceso evolutivo. Los avances en las tecnologías de secuenciación han mejorado considerablemente la investigación de la genómica de la domesticación, pudiendo determinar los cambios genéticos que causan esa transformación de especie salvaje a doméstica. El objetivo principal de esta tesis es la evaluación del efecto de la domesticación en el genoma del cerdo mediante el análisis de la diversidad genética en poblaciones domésticas y salvajes. En la primera parte se ha realizado un análisis de la diferenciación y del desequilibrio de ligamiento para detectar las diferencias entre cerdos domésticos y salvajes, utilizando la vía metabólica como unidad de análisis. Mediante el estudio de la diferenciación, utilizando el estadístico Fst, obtenemos una serie de rutas significativas relacionadas con el comportamiento y el desarrollo, que fueron algunos de los primeros rasgos seleccionados en cerdo. Sin embargo, al realizar el análisis del desequilibrio, mediante el estadístico nSL, detectamos diferencias en rutas relacionadas con la reproducción del animal, rasgo seleccionado recientemente. Por otro lado, realizamos una red de co-asociación entre todas las vías metabólicas significativamente diferentes entre cerdos domésticos y salvajes, obteniendo 3 clústeres diferenciados, uno relacionado con el crecimiento y la regulación hormonal, otro con el sistema nervioso simpático y el último con la reproducción. En la segunda parte, realizamos un análisis de la fuerza de la selección a nivel genómico en cerdos domésticos y salvajes, utilizando dos poblaciones domésticas, Ibérico y Large White, las cuales son muy diferentes entre ellas. Mientras que Ibérico es una raza autóctona que ha sufrido recientemente una gran reducción del tamaño poblacional, Large White es una raza comercial internacional que ha sido mejorada de manera artificial, además de introgresada con cerdos asiáticos. Para analizar la fuerza de la selección utilizamos el parámetro α, que estima la proporción de sustituciones no-sinónimas que son adaptativas, utilizando cuatro estimadores diferentes de la variabilidad, cada uno enfocado a una parte del espectro de frecuencias: Fu&Li (solo singletons), Watterson (todo el espectro dando más peso a las bajas frecuencias), Tajima (todo el espectro de manera uniforme) y Fay&Wu (incrementa el peso de manera proporcional a la frecuencia). Sin embargo, al analizar los patrones de selección no encontramos más señales comunes entre las razas domesticadas que al compararlas con la salvaje. En cambio, encontramos un mayor efecto de la demografía en la selección, Ibérico tiene una variabilidad muy baja debido a su bajo tamaño poblacional, lo cual se muestra en los patrones de selección obtenidos, que se asemejan a una reducción poblacional; mientras que Large White tiene una mayor variabilidad debido posiblemente a la presencia de alelos asiáticos en su genoma, obteniendo patrones explicados por la presencia tanto de mutaciones deletéreas como beneficiosas, además de una expansión poblacional y/o migración. Por último, hemos desarrollado una aplicación web para poder analizar archivos VCF, la cual puede ayudarnos a identificar posibles errores o sesgos, principalmente relacionados con la cobertura del SNP.

Animal domestication is an important process in the human history in which different traits of the animals were selected, such as faster growth or greater docility. To study domestication at the genetic level it is necessary to identify the markers related to this evolutionary process. Advances in sequencing technologies have improved the investigation of the genomics of domestication, which has allowed to determine the genetic changes that cause this transformation from wild to domestic species. The main goal of this thesis is the evaluation of the domestication effect in the pig genome through the analysis of genetic diversity in domestic and wild populations. In the first part, analyses of differentiation and linkage disequilibrium were performed to detect differences between domestic and wild pigs, using the pathway as the unit of analysis. Through the study of differentiation, using the Fst statistic, we obtained significant pathways related to behavior and development, which were some of the first selected traits in pigs. On the other hand, when performing the disequilibrium analysis, using the nSL statistic, we detected differences in pathways related to the reproduction of the animal, a recently selected trait. Besides, we made a co-association network using all pathways that are significantly different between domestic and wild pigs, obtaining three differentiated clusters, one related to growth and hormonal regulation, another with the sympathetic nervous system and the last with the reproduction. In the second part, we performed an analysis of the strength of selection at the genome level in domestic and wild pigs, using two very different domestic populations, Iberian and Large White. Iberian breed is an autochthonous breed that has recently suffered a strong reduction in the effective population size, Large White is an international commercial breed that has been artificially improved and introgressed with Asian pigs. To analyze the strength of the selection we use the parameter α, which estimates the proportion of non-synonymous substitutions that are adaptive, using four different estimators of variability, each focused on a part of the frequency spectrum: Fu&Li (only singletons), Watterson (whole spectrum giving more weight at low frequencies), Tajima (whole spectrum weighted uniformly) and Fay&Wu (increases the weight proportionally with the frequency). However, when analyzing the selection patterns, we did not find more common signals between the two domestic breeds than between domestic and wild ones. Instead, we found a larger effect of demography on the selection, Iberian has a very low variability due to its low population size, which is shown in the obtained selection patterns, which resemble a population reduction; while Large White has a larger variability, possibly due to the presence of Asian alleles in its genome, obtaining patterns that can be explained by the presence of both deleterious and beneficial mutations, together with a population expansion and/or migration. Finally, we have developed a web-based application to analyze VCF files, which can help identify possible errors or biases, mainly related to the SNP coverage.