Genomic analysis of dairy and pigmentation traits in Murciano-Granadina goats

Abstract

Amb l'objectiu d'obtenir nous coneixements sobre la base molecular de la lactació en cabres de la raça Murciano-Granadina (MUG), hem dut a terme una anàlisi RNA-Seq de mostres de la glàndula mamària (N=7) obtingudes en tres punts temporals diferents: 78 dies (T1, lactació primerenca), 216 dies (T2, lactació tardana) i 285 dies (T3, període sec) després del part. Aquest experiment ens va permetre identificar 1654 gens expressats diferencialment (DE), les funcions dels quals estaven relacionades principalment amb el metabolisme de les proteïnes, lípids i carbohidrats, homeòstasi del calci, mort cel·lular programada, remodelació tissular i immunitat. A més, vam realitzar un estudi d'associació del genoma complet (GWAS) que va incloure 822 cabres amb registres per set fenotipus lleters mesurats durant la primera lactació amb la finalitat de contribuir a dilucidar l'arquitectura genòmica de la producció i la composició de la llet. Aquest estudi ens va permetre detectar 24 quantitative trait loci (QTL). No obstant això, només tres QTL van mostrar significació estadística a nivell genòmic, és a dir, QTL1 (cromosoma 2, 130,72-131,01 Mb) per al percentatge de lactosa de la llet, QTL6 (cromosoma 6, 78,90-93, 48) Mb) per al percentatge de proteïna i QTL17 (cromosoma 17, 11.20 Mb) per als percentatges de proteïna i matèria seca.

Mitjançant l'anàlisi del patró de segregació de polimorfismes d'un sol nucleòtid (SNP) dels genes de les caseïnes en bezoars (ancestre de la cabra domèstica) i cabres domèstiques d'Europa, Àfrica, Pròxim Orient i Extrem Orient, es va determinar que del 36,1% (CSN2) al 55,1% (CSN1S2) dels SNPs són compartits entre bezoar i cabra domèstica. Així mateix, més del 50% dels SNP dels gens de les caseïnes van ser compartits per 2 o més poblacions de cabra doméstica situades en diferents continents, i del 18 al 44% dels SNP van ser compartits per les quatre poblacions domèstiques esmentades anteriorment. Aquests resultats ens permeten concloure que una part important de la diversitat existent en els gens de les caseïnes caprines va emergir abans de la domesticació de les cabres.

Un altre objectiu de la Tesi va ser caracteritzar la variació del nombre de còpies (CNV) en una població de 1036 cabres MUG. Mitjançant l'ús del programari PennCNV i QuantiSNP, vam identificar 4617 i 7750 CNV autosòmics, respectivament, que posteriorment van ser acoblats en 486 regions CNV o CNVR. Els gens que mapegen dins de CNV mostren un enriquiment de funcions relacionades amb la transducció olfactiva, els transportadors ABC i el desenvolupament embrionari. Un dels CNVR identificats en el nostre estudi coincideix amb la posició del gen de la proteïna de senyalització agouti (ASIP), que afavoreix la síntesi de feomelanina groga/vermella. En diversos estudis, l'augment del nombre de còpies del gen ASIP va ser associat amb un patró de pigmentació blanc en cabres. No obstant això, al realitzar un experiment de qPCR amb l'objectiu de quantificar el nombre de còpies del gen ASIP en poblacions de cabres amb diferents patrons de pigmentació, vam esbrinar que el CNV de ASIP no solsament segrega en cabres Saanen (blanques), sinó també en cabres MUG (negres/marrons) i cabres Malaguenyes (vermelles/rosses). Aquest resultat indica l'absència d'una relació simple i lineal entre el nombre de còpies del gen ASIP i la diŀlució del patró de pigmentació en cabres. Finalment, hem investigat l'arquitectura genòmica de la coloració de la capa en cabres MUG mitjançant la combinació de diferents tècniques experimentals. Aquesta anàlisi ha revelat l'existència d'una estreta associació entre una mutació aminoacídica (c.801C> G, p.Cys267Trp) al gen de receptor de la melanocortina 1 (MC1R) i el color negre/marró de les cabres MUG, la qual cosa implica que l'herència de la pigmentació en aquesta raça és monogènica.

Con el objetivo de obtener nuevos conocimientos sobre la base molecular de la lactación en cabras de la raza Murciano-Granadina (MUG), se llevó a cabo un análisis RNA-Seq de muestras de la glándula mamaria (N=7) obtenidas en tres puntos temporales distintos, es decir, 78 días (T1, lactación temprana), 216 días (T2, lactación tardía) y 285 días (T3, período seco) después del parto. Este experimento permitió identificar 1654 genes expresados diferencialmente (DE), cuyas funciones estaban relacionadas principalmente con el metabolismo de las proteínas, lípidos y carbohidratos, homeostasis del calcio, muerte celular programada, remodelación tisular e inmunidad. Con la finalidad de contribuir a dilucidar la arquitectura genómica de la producción y la composición de la leche, realizamos un estudio de asociación del genoma completo (GWAS) que incluyó 822 cabras con registros para siete fenotipos lecheros medidos durante la 1ª lactación. Este estudio permitió detectar 24 quantitative trait loci (QTL). No obstante, sólo tres QTL mostraron significación estadística a nivel genómico, es decir, QTL1 (cromosoma 2, 130,72-131,01 Mb) para el porcentaje de lactosa de la leche, QTL6 (cromosoma 6, 78,90-93,48) Mb) para el porcentaje de proteína y QTL17 (cromosoma 17, 11.20 Mb) para los porcentajes de proteína y materia seca.

Mediante el análisis del patrón de segregación de polimorfismos nucleotídicos sencillos (SNP) de los genes de las caseínas en bezoares (ancestro de la cabra doméstica) y cabras domésticas de Europa, África, Cercano Oriente y Lejano Oriente, se determinó que del 36,1% (CSN2) al 55,1% (CSN1S2) de los SNPs son compartidos por el bezoar y la cabra doméstica. Asimismo, más del 50% de los SNP de los genes de las caseínas fueron compartidos por 2 o más poblaciones de cabra doméstica ubicadas en diferentes continentes, y del 18 al 44% de los SNP fueron compartidos por las cuatro poblaciones domésticas mencionadas anteriormente. Estos resultados nos permiten concluir que una parte importante de la diversidad existente en los genes de las caseínas caprinas emergió antes de la domesticación de las cabras.

Otro objetivo de la Tesis consistió en caracterizar la variación del número de copias (CNV) en una población de 1036 cabras MUG. Mediante el uso del software PennCNV y QuantiSNP, identificamos 4617 y 7750 CNV autosómicos, respectivamente, que posteriormente fueron ensamblados en 486 regiones CNV o CNVR. Los genes que mapean dentro de CNVR muestran un enriquecimiento de funciones relacionadas con la transducción olfativa, los transportadores ABC y el desarrollo embrionario. Uno de los CNVR identificados en nuestro estudio coincide con la posición del gen de la proteína de señalización agouti (ASIP), que favorece la síntesis de feomelanina amarilla/roja. En diversos estudios, el aumento del número de copias del gen ASIP fue asociado con un patrón de pigmentación blanco en cabras. Sin embargo, al realizar un experimento de qPCR con el objetivo de cuantificar el número de copias del gen ASIP en poblaciones de cabras con diferentes patrones de pigmentación, averiguamos que el CNV del gen ASIP no sólo segrega en cabras Saanen (blancas), sino también en cabras MUG (negras/marrones) y cabras Malagueñas (rojas/rubias). Este resultado indica la ausencia de una relación simple y lineal entre el número de copias del gen ASIP caprino y la dilución del patrón de pigmentación. Finalmente, hemos investigado la arquitectura genómica de la coloración de la capa en cabras MUG mediante la combinación de distintas técnicas experimentales. Este análisis reveló la existencia de una estrecha asociación entre una mutación aminoacídica (c.801C> G, p.Cys267Trp) en el gen del receptor de la melanocortina 1 (MC1R) y el color negro/marrón de las cabras MUG, lo que implica que la herencia de la pigmentación en dicha raza es monogénico.

In order to obtain new insights into the molecular basis of lactation in Murciano-Granadina (MUG) goats, we carried out a RNA-Seq analysis of mammary gland samples (N = 7) obtained in three different time points, that is, 78 days (T1, early lactation), 216 days (T2, late lactation) and 285 days (T3, dry period) after parturition. This experiment allowed the identification of 1654 differentially expressed (DE) genes, the functions of which were mainly related to protein, lipid and carbohydrate metabolism, calcium homeostasis, programmed cell death, tissue remodeling and immunity. In order to help elucidate the genomic architecture of milk production and composition, we also carried out a genome-wide association study (GWAS) including 822 goats with records for seven dairy phenotypes measured during the first lactation. This study allowed the detection of 24 quantitative trait loci (QTL). However, only three QTL showed statistical significance at the genome-wide level, that is, QTL1 (chromosome 2, 130.72-131.01 Mb) for the percentage of lactose in milk, QTL6 (chromosome 6, 78.90-93, 48) Mb) for the percentage of protein and QTL17 (chromosome 17, 11.20 Mb) for the percentages of protein and dry matter.

By analyzing the segregation patterns of single nucleotide polymorphisms (SNPs) mapping to the casein genes in bezoars (ancestor of the domestic goat) and domestic goats of Europe, Africa, the Near East and the Far East, it was determined that about 36.1% (CSN2) to 55.1% (CSN1S2) of casein SNPs are shared between bezoars and domestic goats. Besides, more than 50% of the SNPs of the casein genes were shared by 2 or more domestic goat populations located on different continents, and 18 to 44% of the SNPs were shared by the four previously mentioned domestic populations. These results allow us to conclude that an important part of the diversity existing in the caprine casein genes emerged before the domestication of goats.

Another objective of the Thesis consisted of characterizing copy number variation (CNV) in a population of 1036 MUG goats. Using the PennCNV and QuantiSNP software, we identified 4617 and 7750 autosomal CNVs, respectively, which were subsequently assembled into 486 CNV regions (CNVR). Genes located within CNV show an enrichment of functions related to olfactory transduction, ABC transporters and embryonic development. Interestingly, one of the CNVR identified in our study coincides with the position of the agouti signaling protein (ASIP) gene, which favors the synthesis of yellow/red pheomelanin. In several studies, increased copy number of the ASIP gene was associated with a white pigmentation in goats. However, when conducting a qPCR experiment with the objective of quantifying the number of copies of the ASIP gene in goat populations with different coat colors, we found that the ASIP CNV not only segregates in Saanen (white) goats, but also in MUG (black/brown) and Malagueñas goats (brown/blond). This result indicates the absence of a simple and linear relationship between the number of copies of the goat ASIP gene and the dilution of pigmentation. Finally, we have investigated the genomic architecture of coat color in MUG goats by combining different experimental techniques. This analysis revealed the existence of a close association between a missense mutation (c.801C>G, p.Cys267Trp) in the melanocortin receptor 1 (MC1R) gene and the black/brown color of MUG goats, which implies that the inheritance of pigmentation in this breed is monogenic.