شناسایی ژن ‎های هاب درگیر در بیماری ورم پستان در گاو های هلشتاین با تجزیه داده ‎های Rna-seq

چکیده مبسوط مقدمه و هدف: ورم پستان گاوی در سطح جهانی یکی از مهم ترین بیماری ها در گله های شیری است که  هم در دوره خشکی و هم در دوره شیر دهی دام را درگیر می ‎کند و خسارات اقتصادی زیادی را به ‎دنبال دارد. این بیماری پر هزینه‎ ترین بیماری در گاو های شیری در سطح جهان محسوب می شود. با توجه به اهمیت اقتصادی این موضوع، تلاش های متعددی بر توسعه روش های عملی و موثر برای پیشگیری از ورم پستان متمرکز شده ‎اند. همچنین در ورم پستان گاوی ناشی از عوامل عفونی، باکتری ‎ها می ‎توانند از طریق شیر و سایر محصولات لبنی به انسان منتقل شوند، که این یک مسئله حیاتی برای سلامتی انسان است. رویکرد های سنتی از جمله تشخیص و درمان ورم پستان و بهبود شرایط بهداشتی در کنترل این بیماری به نتایج مطلوبی دست نیافته ‎اند. در نتیجه، اولویت های تحقیقاتی فعلی بر توسعه ابزار هایی برای تشخیص سریع و دقیق ورم پستان، همراه با استراتژی هایی برای افزایش سلامت پستان در گاو ها تاکید دارند. این پیشرفت ها برای اطمینان از تولید بالای شیر، که از عوامل تعیین کننده سود آوری در گاو داری شیری  هستند، ضروری به‎نظر می‎ رسند. شایع ترین علت، باکتری ها هستند که به دو دسته مسری و محیطی طبقه ­بندی می شوند. استافیلوکوکوس اورئوس، استرپتوکوک آگالاکتیه، استرپتوکوک اوبریس، اشریشیا کلی و کلبسیلا پنومونیه شایع ترین پاتوژن های مرتبط با ورم پستان هستند. مقاومت به ورم پستان یک صفت پیچیده است که تحت تاثیر ژن های متعدد قرار دارد. با توجه به افزایش مقاومت ضد میکروبی، توسعه درمان های جایگزین برای ورم پستان گاوی ضروری است. پیشرفت های فناوری های توالی یابی نسل بعدی، فرصتی را برای روشن شدن مکانیسم های ژنتیکی زمینه ساز ورم پستان فراهم می کند. هدف از این مطالعه، بررسی رویکرد سیستم های مبتنی بر شبکه و شناسایی ژن‎ های هاب به ‎منظور کشف بینش عمیق تر کنترل ژنتیکی این بیماری است. مواد و روش ها: نمونه ‎ها برای تجزیه و تحلیل بیان ژن شامل شش تکرار بیولوژیکی از شیر گاو های سالم و شش تکرار شیر مربوط به گاو های مبتلا به ورم پستان در جمعیت هلشتاین آلمانی بودند که از مجموعه داده GSE۹۳۰۸۲ در پایگاه داده GEO استفاده شد. برای کنترل کیفی توالی و تجزیه بیان ژن‎ ها از نرم‎افزار GEO۲R استفاده شد. از دو معیار (|log۲ fold-change (FC)| > ۲) و adj p-value <۰.۰۵ برای شناسایی بیان متفاوت ژن ها استفاده شد. برای شناسایی هستی شناسی ژن و مسیر ها از ابزار  DAVIDاستفاده شد. هستی ‎شناسی ژن (GO) یک چارچوب استاندارد برای طبقه ‎بندی عملکرد های ژن در سطح جهانی ارائه می ­دهد. در این مطالعه، از GO برای درک نقش­ ها و عملکرد ژن ها استفاده شد. ژن ها بر اساس هستی‎ شناسی به سه دسته تقسیم ‎بندی می شوند: BP (Biological Processes)، MF (Molecular Functions) و CC (Cellular Components). این اجزا به‎ترتیب شامل فرآیند های بیولوژیکی، عملکرد های مولکولی و سلولی هستند. در نهایت، برای شناسایی ژن‎ های هاب از افزونه CytoHubba نرم ‎افزار Cytoscape با روش DEGREE استفاده شد. یافته  ها: در مجموع، ۷۰۷ ژن بیان متفاوت داشتند که تعداد ۲۷۱ ژن با بیان پایین و ۴۳۶ ژن با بیان بالا در مقایسه نمونه های سالم و مبتلا شناسایی شدند که ارتباط نزدیکی با ورم پستان داشتند. از این میان، تعداد ۱۰ ژن شامل IL۱B،TLR۴ ، STAT۱، STAT۳، ICAM۱، TLR۲،  CD۴۴، MYD۸۸ و PTGS۲ بر مبنای روش DEGREE به‎عنوان ژن های هاب شناخته شدند. تجزیه و تحلیل ژن ‎های شناسایی شده ۹۹ مسیر مرتبط با ورم پستان را نشان داد که در نمودار ۲۰ مسیری که P-Value < ۰.۰۵ داشتند مشخص شدند. بررسی مسیر های شناسایی شده معنی ‎دار نشان داد که مسیر سیگنالینگ TNF (TNF signaling pathway) در پاسخ به التهاب و عفونت فعال می شود، مسیر سیگنالینگ TLR (Toll-like receptor signaling pathway) که گیرنده های Toll-like (TLR) در شناسایی پاتوژن ها (مانند باکتری ها) نقش دارند و مسیر سیگنالینگ IL-۱۷ (IL-۱۷ signaling pathway) یک سیتوکین التهابی است و در پاسخ به عفونت های باکتریایی و قارچی نقش دارد. این مسیر می تواند باعث جذب نوتروفیل ها و سایر سلول های ایمنی به محل عفونت شود و Th۱۷ (Th۱۷ cell differentiation) که در پاسخ به عفونت های باکتریایی و قارچی نقش دارد و با تولید IL-۱۷ باعث تقویت التهاب می شود، نقش عملکردی مهم تری در بیماری ورم پستان گاوی دارد. بررسی هستی ‎شناسی(GO)  نشان داد که در ورم پستان گاو، فرآیند های مرتبط با التهاب، پاسخ ایمنی و تنظیم مرگ سلولی (آپوپتوز) به‎شدت فعال هستند. همچنین، اجزای سلولی مانند شبکه اندوپلاسمی و میتوکندری و فعالیت های مولکولی مانند اتصال به سیتوکین ها و آنتی اکسیدان ها نقش مهمی در پاسخ به عفونت و التهاب دارند. این یافته ها نشان می دهند که سلول ها برای مبارزه با عفونت و کاهش آسیب بافتی در غده پستانی گاو تلاش می کنند. نتیجه  گیری: شناسایی مسیر های متعدد مرتبط با ورم پستان و همچنین هستی ‎شناسی ژن های کاندیدا نشان می ‎دهد که ورم پستان صفتی بسیار پیچیده است که عوامل مختلفی در آن دخیل هستند. این یافته ها اهمیت بالای ژن های شناسایی شده را در درک مکانیزم های بیولوژیکی ورم پستان گاوی نشان می دهند. ژن های برجسته شده در این مطالعه می توانند به عنوان نشانگر های زیستی برای ورم پستان عمل کنند. علاوه بر این، ممکن است حاوی واریانت‎ های نوکلئوتیدی متفاوتی باشند که می توانند برای بهبود ژنتیکی و طراحی استراتژی های اصلاح نژادی در گاوهای شیری در برابر ورم پستان مورد استفاده قرار گیرند.

کلیدواژه ها:

Gene expression ، Mastitis ، Ontology ، Pathway analysis ، آنالیز شبکه ، بیان ژن ، ورم پستان ، هستی‎شناسی