Genomic analysis of energy metabolism and its impact on production traits in pigs

Abstract

La carn de porc és una de les carns més consumides a tot el món i té un paper dominant en el mercat de la carn. La demanda de carn de porc ha conduït a la intensificació i globalització de la producció porcina, incrementant el risc de propagació de patògens animals, cosa que comporta un ús elevat d'antibiòtics i l’aparició de resistència a aquets. En aquest context, la Comissió Europea exigeix reduir la utilització dels antibiòtics. L'objectiu actual de la millora genètica no és només millorar el rendiment de la producció i la qualitat del producte, sinó també integrar caràcters relacionats amb la salut per abordar aquests reptes. En aquesta tesis, vam investigar els mecanismes moleculars que determinen el perfil i el metabolisme dels àcids grassos (AG) en diferents teixits del porc, identificant un total de 30 regions del genoma porcí, localitzades en 15 cromosomes, que estaven associades amb caràcters de composició de AG a la sang, fetge, teixit adipós i múscul. En aquestes regions genòmiques es van anotar 49 gens candidats relacionats amb el metabolisme lipídic, la producció d'energia i el manteniment de l'estructura de les membranes. A més, aquests gens participen en les vies de senyalització i regulen la inflamació promovent la lipogènesi. Aquests resultats poden ser útils en els programes de selecció que busquen millorar la salut sense comprometre la productivitat. A més, es va utilitzar un enfocament d'integració de dades per explorar la interacció dels AG entre teixits i identificar possibles biomarcadors primerencs en sang per predir les característiques de la canal i els perfils de AG en el múscul. Es van proposar que, en porcs Duroc en una etapa primerenca de creixement, la composició plasmàtica dels AG C16:0 i C16:1n-7, la seu ràtio, i els AG C18:1n-9 i C18:2n-6 eren predictors de la composició de AG al fetge, greix dorsal i múscul després del sacrifici del porc. A més, aquests AG a la sang estan correlacionats positivament amb el pes de la canal i el gruix del greix, i negativament amb el percentatge de carn magra. Mitjançant experiments de transfecció cel·lular i luciferasa, hem validat l'efecte del polimorfisme ELOVL6:c.-394G>A sobre l'expressió del gen ELOVL6. Els resultats obtinguts donen suport a la hipòtesi que la unió del factor de transcripció ERα en el promotor d'ELOVL6 indueix la seva metilació i resulta en una disminució de l'expressió del gen en animals amb l'al·lel ELOVL6.-394G. A més, el nostre estudi va demostrar, mitjançant mutagènesi dirigida del polimorfisme ELOVL6:c.-480C>T, situat dins d'un lloc d'unió del factor de transcripció SP1, que el paper protector de SP1 contra la metilació de l'ADN no es el factor principal que explica les diferències d'expressió del gen ELOVL6. Finalment, vam identificar el polimorfisme rs339777757 en el promotor del gen APOA2 i vam demostrar en una anàlisi eGWAS que aquest SNP esta significativament associat amb l'expressió de APOA2 en fetge. A més, la predicció in silico de llocs d’unió de factors de transcripció va identificar que rs339777757 està situat en el lloc d'unió de RORα, un factor de transcripció àmpliament conegut com a regulador dels gens APOA1 i APOA5 en humans. Es va dur a terme un assaig de luciferasa amb dos construccions, una amb l'al·lel C i l'altre amb l'al·lel T, per validar l'efecte regulador de rs339777757. Vam observar que la construcció amb l'al·lel C mostrava una expressió més alta del gen APOA2 en comparació amb la construcció del al·lel T, la qual cosa es pot atribuir a la unió de RORα.

La carne de cerdo es una de las carnes más consumidas en el mundo y desempeña un papel dominante en el mercado cárnico. La demanda de carne de cerdo ha conducido a la intensificación y globalización de la producción porcina, incrementado el riesgo de propagación de patógenos animales, lo que conlleva un uso elevado de antibióticos y la aparición de resistencia a los mismos. En este contexto, la Comisión Europea exige reducir la utilización de antibióticos. El objetivo actual de la mejora genética no es sólo mejorar el rendimiento de la producción y la calidad del producto, sino también integrar caracteres relacionados con la salud para abordar estos desafíos. En esta tesis, investigamos los mecanismos moleculares que determinan el perfil y el metabolismo de ácidos grasos (AG) en diferentes tejidos del cerdo. Identificamos un total de 30 regiones del genoma porcino, localizadas en 15 cromosomas, que están asociadas con la composición de AG en sangre, hígado, tejido adiposo y músculo. En estas regiones genómicas se anotaron un total de 49 genes candidatos relacionados con el metabolismo lipídico, la producción de energía y el mantenimiento de la estructura de las membranas. Además, estos genes participan en vías de señalización y regulan la inflamación al promover la lipogénesis. Estos resultados pueden ser útiles en los programas de selección que buscan mejorar la salud sin comprometer la productividad. Asimismo, se utilizó un enfoque de integración de datos para explorar la interacción de los AG entre tejidos e identificar posibles biomarcadores tempranos en sangre para predecir las características de la canal y los perfiles de AG en el músculo. Se propuso que, en cerdos Duroc en una etapa temprana de crecimiento, la composición plasmática de los AG C16:0 y C16:1n-7, su ratio, y los AG C18:1n-9 y C18:2n-6 eran predictores de la composición de AG en hígado, grasa dorsal y músculo después del sacrificio del cerdo. Además, estos AG en sangre estaban correlacionados positivamente con el peso de la canal y el grosor de la grasa, y negativamente con el porcentaje de carne magra. Mediante transfección celular y ensayos de luciferasa hemos validado el efecto del polimorfismo ELOVL6:c.-394G>A sobre la expresión del gen ELOVL6. Los resultados obtenidos apoyan la hipótesis de que la unión del factor de transcripción ERα en el promotor de ELOVL6 induce su metilación y resulta en una disminución de la expresión del gen en animales con el alelo ELOVL6.-394G. Además, nuestro estudio demostró mediante la mutagénesis dirigida del polimorfismo ELOVL6:c.-480C>T, ubicado en el lugar de unión del factor de transcripción SP1, que el papel protector de SP1 contra la metilación del ADN no es el factor principal que explica las diferencias de expresión del gen ELOVL6. Finalmente, identificamos el polimorfismo rs339777757 en el promotor del gen APOA2 y observamos en un análisis de eGWAS que este SNP está significativamente asociado con la expresión de APOA2 en hígado. Además, la predicción in silico de unión de factores de transcripción identificó que el rs339777757 está ubicado en el sitio de unión de RORα, un factor de transcripción ampliamente descrito como regulador de los genes APOA1 y APOA5 humanos. Se realizó un ensayo de luciferasa con dos construcciones, una con el alelo C y otra con el alelo T, para validar el efecto regulador de rs339777757. Observamos que la construcción con el alelo C presentaba una mayor expresión del gen APOA2 en comparación con la construcción que contenía el alelo T, lo que puede atribuirse a la unión de RORα.

Pork is one of the most consumed meats around the world and plays a dominant role in the meat market. Therefore, the demand for pork leads to the rapid development of intensive farming. However, the rise of intensive farming increases the risk of animal pathogens spreading, which in turn leads to the persistent use of antibiotics and results in significant antibiotic resistance. Meanwhile, the European Commission demands to reduce the antibiotic utilization. The goal of current breeding is not only to improve production performance and product quality but also to integrate health-related traits to address these challenges. We investigated the molecular mechanisms determining the fatty acid (FA) profile and metabolism in different pig tissues. In detail, we identified a total of 30 regions on 15 chromosomes of the porcine genome that were associated with FA composition traits across blood, liver, adipose tissue, and muscle. Forty-nine candidate genes were annotated in these genomic regions and are related to lipid metabolism, energy production, and membrane structure maintenance, as well as participate in signaling pathways and regulate inflammation by promoting lipogenesis. These findings can be useful in selection programs aiming at improving health without compromising productivity. Moreover, a data integration approach was used to explore the FA crosstalk among tissues and to identify potential early blood biomarkers for predicting carcass traits and muscle FA profiles. Plasma C16:0 and C16:1n-7 and their ratios, together with C18:1n-9 and C18:2n-6 in Duroc pigs at early growth stage, were proposed for predicting FA composition in liver, backfat, and muscle after pig slaughter. Furthermore, these blood FAs are positively correlated with carcass weight and fat thickness, while negatively correlated with lean meat percentage. Finally, we validated by cell transfection and luciferase assays the effect of the ELOVL6:c.-394G>A polymorphism on the ELOVL6 gene expression. The results obtained support the hypothesis that the binding of transcription factor ERα at ELOVL6 promoter induces its methylation and results in a decrease of ELOVL6 gene expression in animals with ELOVL6:c.-394G allele. Furthermore, our study demonstrated through site-directed mutagenesis of the ELOVL6:c.-480C>T polymorphism, located within an SP1 transcription factor binding site, that the protective role of SP1 against DNA methylation is not the primary factor contributing to the differential expression of the ELOVL6 gene. In addition, we identified the polymorphism rs339777757 in the APOA2 promoter and showed that this SNP was the most significantly associated with liver APOA2 expression in an eGWAS analysis. Additionally, the in-silico transcription factor prediction identified that the rs339777757 is located at the binding site of RORα, a widely reported transcription factor for human APOA1 and APOA5 genes. A luciferase assay was conducted with two constructs, one carrying the C allele and the other the T allele, to validate the regulatory effect of rs339777757. We observed that the construct with the C allele exhibited a suggestive higher APOA2 gene expression in comparison with the T allele construct, which may be attributed to the RORα binding.