蒙古牦牛全基因组的渐渗杂交特征

  摘要  

  牦牛是一种适应高海拔同时在亚洲山区经济中占有重要地位的动物。在低海拔地区，通常用牦牛和家牛杂交用来提高家牛的耐寒性。由于杂种公牛是不育的，为了避免稳定的杂种群体的出现，利用杂种母牛与公牦牛进行几代回交从而获得一部分基因渐渗系。本文利用高密度的SNP芯片及全基因组测序数据，对76只蒙古牦牛进行牛的单倍型预测。这些牦牛遗传了至少连续混合了1500年以上牛祖先的1.3%的基因组。渐渗区间富集的基因包括神经系统发育和功能，尤其是谷氨酸代谢和神经传递。本文还发现一种起源于蒙古牛的无角突变类型，研究结果表明渐渗杂交（指两物种的杂交后代与亲本反复回交，把某一亲本的性状带至另一亲本(Rieseberg & Wendel,1993)）能够为牦牛的管理和育种改良作出贡献。

  材料方法  

  基因型：Illumina BovineHD chip 777K SNP（120牦牛+1025只家牛）；  

  高通量测序材料：杂合无角蒙古牛（TM29），杂合无角牦牛（YAK13），有角牦牛（YAK40），测序平台：Illumina HiSeq 1500 PE101bp（TM29/8.7X）、Illumina HiSeq 2500 PE101bp（YAK13/13.4X, YAK40/14.9X）；  

  牛的序列：UMD3.1；比对序列软件：BWA；SNP、indel识别：SAMtool；牦牛参考基因组：YAKQIU；  

  渐渗区间识别：circular binary segmentation（R语言包DNAcopy (v1.14.0)）；Sanger测序验证渐渗目标区间；  

  NJ属构建：MAGE 6.06；  

  渐渗区间基因的注释：UCSC Genome Browser（有参考序列的基因）； 

  GeneBank、牛的EST序列；

  基因位点富集分析：DAVID 6.7、PANTHER、Genetrail2、Ingenuity Pathway Analysis、Mammalian Phenotype ontology (level 3)；  

  蒙古牛无角位点定位：y=Xβ + Z1u + Z2q + e；（连锁不平衡+连锁）  

  y：角状态矢量，β：混合效应，u：每只牛的n个随机多基因效应；  

  q：无角位点的随机加性效应；e：后遗效应；

  研究结果

  1、牛往蒙古牦牛基因渐渗的评估

  杂合无角牦牛（YAK13），有角牦牛（YAK40）全基因组范围内各有1.73%和1.22%的基因组来自牛。牦牛参考基因组（YAKQIU）有1.06%来自牛。（针对三种全基因组测序的牛及牦牛的基因渐渗的评估）

  为了验证本地牦牛的血统，利用牦牛参考基因组两个纯合的渐渗的区间进行PCR验证（一代测序），获得的和牦牛相关的牛的品种。

  a,牛的9号和25号染色体往牦牛（参考基因组）渐渗的位点分布（70k滑动窗口）；b,从牛往牦牛（参考基因组）渐渗的区间放大图的基因注释结果，其中标注了外显子的四个基因在14头牛的全基因组数据中得到了验证；c,利用14种牛的遗传进化关系。

  9号和25号染色体渐渗区间的四个基因在不同种类牛中的检测结果（一代测序）。

  2、利用不同来源SNP数据分析各种牛之间的进化关系

  374头不同牛的母性系统发育树构建（245个SNP标记比对到线粒体），其中69头牦牛（YaK），285头牛。

  279头不同牛的父性系统发育树构建（921个SNP标记比对到Y染色体）。

  76头蒙古牦牛中具有本地牛血统的单倍型数量。A.29条常染色体和X染色体的单倍型数量；B.利用152头牦牛拟合的本地牛血统的单倍型数量。（A/B间差别很大的原因是拟合数据没受到任何选择压力）

  3、牦牛渐渗片段大小的分析揭示渐渗事件

  芯片数据中76头牦牛30条染色体上渐渗片段的最大、最小、平均及中位数值。

  不同大小的牛的DNA片段渐渗到牦牛基因组的频率。

  4、牛渐渗到牦牛中的片段富集的基因分析

  a,渐渗片段富集的基因大多与神经系统发育和功能、突触传导、感官知觉、空间定位等有关；b,对渐渗片段进行基因通路的注释分析（Ingenuity Pathway Analysis）；c,谷蛋白受体信号通路中主要蛋白的神经元突出的注释。这些牦牛基因组渐渗片段中富集的特殊基因的可能是由于行为性状选择的原因。

  5、牛渐渗到牦牛POLLED位置的片段引起无角突变

  a,利用芯片数据中36头无角和40头有角牛进行似然比检测，定位无角的突变位点；b,两头有无角的牦牛在1号染色体的前20M区间的渐渗点检测。无角牦牛的1.88-2.2Mb区间牦牛的等位基因频率突然降低（来自牛的渐渗）；c,b图中虚线区间1.69-2.09M范围，红色方框代表在三种突变类型牛中有重复的部分，亮灰色和暗灰色代表原始的片段。但是这三种突变体均不影响编码区间。d,c图中蒙古牛虚线的区间，发现一个11bp的元件在牛和其它脊椎动物中是完全保守的。

  有无角等位基因的序列差异分析。

  研究亮点 

  1、利用芯片数据和全基因组测序数据，首次描述了牛往牦牛中渐渗的基因组片段。  

  2、分析结果表明蒙古牦牛1.31%的基因组来自牛的祖先在混合了至少1500以上通过基因渐渗而来。  

  3、渐渗片段的功能注是结果表明显着富集的基因是与神经系统发育和功能相关的，可能与牦牛的驯化有关。  

  4、针对引起无角突变的渐渗片段进行了定位分析，发现了有无角的牛之间的序列的插入缺失现象。

  参考文献  

  Whole-genome analysis of introgressive hybridization and characterization of the bovine legacy ofMongolian yaks[J].Nat Genet.IF=31.616