شناسایی واریانت‎ های مهم ژن‎ های کد‎کننده آنزیم ATPase و سیتوکروم b ژنوم میتوکندری در گاوهای هلشتاین و کلیستانی

چکیده مبسوط مقدمه و هدف: انتخاب طی سالیان گذشته باعث شده‎ است که دام‎های اصلاح‎شده تجاری در مقایسه با دام‎های بومی از مقاومت ژنتیکی و قدرت سازگاری کمتری برخوردار باشند که دلیل آن کاهش تنوع ژنتیکی است. لازمه اجرای هر گونه برنامه‎ اصلاح نژادی جهت سازگاری سریع نسبت به تغیرات محیطی است. در مطالعات گذشته که به‎منظور بررسی تجزیه تفریقی ژن‎ها در نژادهای هلشتاین و کلیستانی استان پنجاب پاکستان انجام ‎گرفتند، در برخی از ژن‎ها از جمله ژن‎های میتوکندری تفاوت بیان بسیار فاحش مشاهده ‎گردید که به‎عنوان پایه مطالعه حاضر قرارگرفت. لذا هدف از تحقیق حاضر، بررسی دلایل تفاوت بیان ژن متفاوت بین دو نژاد گاو هلشتاین و کلیستانی در ژن‎های میتوکندری شامل ژن‎های ATP۶، ATP۸ و CYTB که در فرآیندهای مهمی از جمله متابولیسم انرژی در مقابله با تنش‎های زیستی و غیر زیستی و نیز مقاومت به بیماری نقش دارند، با استفاده از داده‎های ترانسکریپت (RNA-Seq) بود. به این منظور، پوشش ترانسکریپتومی، نواحی و جهش‎های نوکلئوتیدی و پروتئینی و اختلافات ژنتیکی حذف و اضافه در ژنوم میتوکندری این دو نژاد مورد بررسی قرارگرفتند. مواد و روش‎ها: در مطالعه حاضر، از داده‎های ترانسکریپتوم (RNA-Seq) با دسترسی آزاد ۴۰ نمونه از گاوهای شیری دانشگاه ویسکانسین آمریکا و ۴۵ گاو ماده کلیستانی از واحد گاو شیری گوجاتیپیر شهر باهاوالپور واقع در ایالت پنجاب پاکستان استفاده گردید. با توجه به این‎ که نتایج بیان افتراقی دو نژاد در تعدادی از ژن‎های میتوکندری بیان متفاوتی را نشان دادند و بخشی از اختلافات مربوط به ساختار ژنتیکی متفاوت آن‎ها در دو نژاد است، هدف مطالعه حاضر قرارگرفت. با استفاده از پایگاه‎های داده ژنومی NCBI به آدرس (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/) و Ensembl به آدرس (https://asia.ensembl.org/index.html) توالی­های سه ژن‎ میتوکندریایی شامل ATP۶،  ATP۸ و CYTB برای نژاد گاو هلشتاین (Bos taurus) و نژاد گاو کلیستانی (Bos indicus) استخراج و به فرمت FASTA ذخیره گردیدند. جهت بررسی سطح پوشش ترانسکریپتومی از نرم‎افزار IGB نسخه ۶ استفاده شد. جهت محاسبه نواحی چندشکل و همچنین محاسبه درصد جایگزینی نوکلئوتیدها و هم‎ردیف‎سازی توالی‎ها از نرم‎افزار MEGA۶ استفاده شد. برای تعیین انواع چندشکلی‎های به وقوع پیوسته در ژنوم میتوکندری هلشتاین و کلیستانی با استفاده از توالی‎های نوکلئوتیدی و آمینواسیدی و همچنین بلوک‎های هاپلوتیپی، تعیین نواحی حذف و اضافه، درج و مناطق حفاظت شده در ژنوم از نرم‎افزار Dnasp۵ استفاده گردید. یافته‎ها: تعداد نواحی حذف در نژاد هلشتاین در سه جایگاه ژنی ATP۶، ATP۸ و CYTB به‎ترتیب ۹۶، ۲۸ و ۹۱ موقعیت حذف بودند که بیشتر از تعداد نقاط حذف نژاد کلیستانی (در مقابل ۸۴، ۹ و ۵۷) بودند. در نژاد کلیستانی در جایگاه ژنی ATP۶ در موقعیت ۸۷۳۳ جفت بازی یک درج به‎طول ۶۴ جفت‎بازی و در جایگاه ژنی CYTB دو ناحیه درج در موقعیت‎های ۱۵۸۴۶ و ۱۴۷۷۹ جفت‎بازی به‎طول ۱۷ و ۲۴ جفت رخ داد. در جایگاه ATP۸ در نژاد کلیستانی هیچ درجی مشاهده نشد. در نژاد هلشتاین در جایگاه ATP۸ یک ناحیه درج در موقعیت ۸۱۸۵ به‎طول ۱۶ جفت‎باز، در جایگاه ژنی ATP۶ یک ناحیه درج در موقعیت ۸۷۳۳ جفت‎بازی به‎طول ۲۰ جفت‎باز و در جایگاه CYTB سه ناحیه درج در موقعیت‎های ۱۴۷۷۹، ۱۵۳۵۵ و ۱۵۳۵۶ به‎ترتیب درج‎های به‎طول ۲۷، ۴۲ و ۱۶ جفت‎باز مشاهده شدند. از بین سه جایگاه ژنی، جایگاه ATP۶ بالاترین سطح پوشش و ATP۸ کمترین پوشش را داشت و جایگاه CYTB در حدواسط دو جایگاه دیگر قرار داشت. مقایسه توالی‎های نوکلئوتیدی جایگاه ژنی ATP۶ با طول ۶۷۸ جفت‎باز در دو نژاد هلشتاین و کلیستانی، هشت ناحیه چندشکلی و براساس توالی آمینواسیدی سه ناحیه چندشکلی شامل دو تبدیل ترئونین به آلانین و یک موقعیت تبدیل ایزولوسین به والین را نشان داد. مقایسه توالی‎های نوکلئوتیدی جایگاه ژنی ATP۸ با طول ۱۹۸ جفت باز در دو نژاد هلشتاین و کلیستانی، شش ناحیه چندشکلی و براساس توالی آمینواسیدی، دو ناحیه چندشکلی را نشان داد. تغییرات آمینواسیدی شامل تبدیل والین به ایزولوسین و ترئونین به آلانین بودند. مقایسه توالی‎های نوکلئوتیدی جایگاه ژنی CYTB با طول ۱۱۳۷ جفت‎باز در دو نژاد هلشتاین و کلیستانی، ۱۹ ناحیه چندشکلی و براساس توالی آمینواسیدی تنها دو ناحیه چندشکلی را نشان داد که آمینواسید والین به ایزولوسین و ایزولوسین به والین تبدیل شدند. در نهایت، نتایج حاصل از تجزیه نواحی حفاظت شده در قطعه هم‎تراز شده از ژن‎های ATP۶، ATP۸ و CYTB نشان داد که از توالی ژن‎های ذکرشده، ژن ATP۶ دارای یک قطعه ۲۱۷ جفت‎بازی حفاظت شده بود، و ژن ATP۸ بدون منطقه حفاظت‎شده بود. ژن‎های غیر‎ حفاظت‎شده مستعد به تغییرهای نوکلئوتیدی و جهش هستند، که سبب به‎وجود آمدن پروتئین‎های جدید و همچنین عملکردهای جدید آن‎ها شده ‎است و بیشتر مناطق ژن CYTB حفاظت‎شده بود. ژن‎ CYTB دارای بیشترین نواحی حفاظت­شده در DNA به‎طول ۶۰۵ جفت‎باز بود. همچنین، نتایج نشان دادند که جانشینی انتقالی در تمام ژن‎ها بیشتر از جانشینی تقاطعی بود. نتیجه‎گیری: نتایج مقایسه تجزیه ترانسکریپت‎های دو نژاد هلشتاین و کلیستانی، علاوه‎بر بیان متفاوت در ژن‎های مختلف از جمله ژنوم میتوکندری و تجزیه تکمیلی توالی نوکلئوتیدی و آمینواسیدی ژن‎های ATP۶، ATP۸ و CYTB، نشان داد که عوامل تکامل از جمله جهش‎ها، انتخاب و مهاجرت سه عامل از مهم‎ترین عواملی بودند که موجب تغییر در ساختار ژنتیکی نژادها و از جمله هلشتاین شدند، به‎نحوی که تغییرات مذکور موجب بیان متفاوت در ژن‎های میتوکندری در دو نژاد شدند. لذا به‎منظور بهبود سازگاری نژادهای تجاری می‎توان با طراحی برنامه‎های مناسب آمیخته‎گری و انتخاب ژنومیک موجب ترکیب واریانت‎های تاثیر‎گذار شده، طول عمر اقتصادی دام‎های تجاری را در ترکیب با دام‎های بومی افزایش داد.

کلیدواژه ها:

Cholistani ، Genetic variant ، Holstein ، Nucleotide substitution ، Transcriptome ، ترانسکریپتوم ، جایگزینی نوکلئوتیدی ، کلیستانی ، واریانت ژنتیکی ، هلشتاین.