Поиск отпечатков селекции в геномах современного северного и степного скота в сравнении с образцами конца XIX-начала XX веков

^* Исследования выполнены при поддержке Российского научного фонда, проект ¹ 19-76-20012.

Крупный рогатый скот (КРС) — ценная модель для изучения изменения генома, происходящего под действием таких процессов, как одомашнивание, адаптация, селекция и скрещивание (1, 2). Результатом совместного воздействия этих факторов стало формирование современных пород и популяций, значительно различающихся по молочной и мясной продуктивности, плодовитости, окраске шерсти, размерам тела, форме рогов или их отсутствию, а также по другим фенотипическим особенностям (3-5).

C помощью секвенирования последовательностей полных геномов (whole-genome sequencing, WGS) становится возможным изучать редкие генетические варианты, которые отсутствуют в коммерчески доступных ДНК-чипах (6), и охватить весь спектр изменчивости, присутствующий в геноме (7). Использование результатов секвенирования, полученных с глубоким покрытием генома, снижает вероятность ошибочного определения аллелей в целевых позициях (8). Более того, анализ WGS позволяет более точно идентифицировать короткие сегменты гомозиготности (runs of homozygosity, ROH) (9) и выявлять отпечатки селекции с более высоким разрешением, чем при применении микроматриц (10). Использование в исследованиях большого числа SNP (single nucleotide polymorphism) маркеров (более 1 млн SNPs) позволяет компенсировать малый размер выборки (11), что особенно актуально для музейных и археологических образцов, размер выборки которых зависит от числа имеющихся экспонатов и находок (12).

На основе WGS подтверждаются геномные регионы, находящиеся под давлением селекции и идентифицированные с помощью ДНК-чипов у различных пород КРС. Эти регионы содержат гены, ассоциированные с размерами тела и молочной продуктивностью ( PLAG1 , NCAPG , LCORL , LAP3 ), эффективностью использования корма и липидным метаболизмом ( R3HDM1 , AOX1 ), а также окраской шерстного покрова ( MC1R , KIT ) (9, 10).

H.A. Mulim с соавт. (13), изучая полные геномы представителей европейских, зебувидных и кроссбредных пород скота, идентифицировали 1662 позиционных гена-кандидата, вовлеченных в регуляцию 400 биологических процессов и 319 молекулярных функций. Островки ROH в популяциях пород Gir и Brahman содержали гены, связанные с меланогенезом, а в популяции джерсейской породы — гены, влияющие на молочную продуктивность и задействованные в кальциевых сигнальных путях. X. Ma с соавт. (14) на основе анализа полногеномных последовательностей 50 представителей мясной китайской породы Bohai Black выявили регионы, имеющие признаки селекции и содержащие гены, связанные с формированием мышечной ткани (ITGA9, ENAH, CAPG) и отложением жира (TBC1D1, CYB5R4, TUSC3 и EPS8). S. Boitard с соавт. (15) изучали последовательности у представителей испанской породы Asturiana de los Valles, которая изначально использовалась как универсальная, а затем в течение нескольких поколений подверглась селекции на мясную продуктивность (производство говядины). В результате были выявлены гены, влияющие на качество туши (MSTN, FLRT2, CRABP2) и определяющие пригодность к разведению в условиях по-луинтенсивных технологий, включая гены, вовлеченные в иммунный ответ (GIMAP7 и TICAM1), а также гены, участвующие в регуляции обонятельной функции (OR2D2 и OR2D3). В геноме китайской мясной породы Pinan обнаружены регионы, которые содержат гены-кандидаты, ассоциированные с ростом, развитием, эмбриогенезом и влияющие на иммунитет (16). M.Y. Nawaz с соавт. (17), изучая полные геномы специализированных мясных пород, установили, что отпечатки селекции в абердин-ангусской породе и породе Hanwoo различались. Так, у ангусов выявлены геномные регионы, находящиеся под давлением селекции и содержащие позиционные гены- кандидаты, которые связаны с ростом и развитием, иммунитетом, репродуктивными качествами, эффективностью использования корма и адаптацией к окружающей среде. Гены-кандидаты, идентифицированные в породе Hanwoo, регулировали качество мяса, отложение жира, метаболизм холестерина и синтез липидов (17).

Анализ WGS-данных позволяет выявлять ключевые гены и геномные регионы, ответственные за формирование адаптаций к специфическим природно-климатическим условиям разведения. Изучая полные геномы креольского крупного рогатого скота, J.A. Ward с соавт. (18) обнаружили «отпечатки» селекции, связанные с множеством адаптивных признаков, — термоустойчивостью, иммунитетом и различными вариантами окраса шерсти и кожи (18). M. Tiwari с соавт. (19) исследовали генетические механизмы, лежащие в основе приспособленности аборигенного крупного рогатого скота к гипоксии в горном районе Индии. В качестве контрастной группы сравнения авторы выбрали представителей породы Sahiwal, обитающей на равнинах Центральной Индии. Были использованы два биоин-формационных подхода — поиск сегментов гомозиготности (ROH) и расчет индекс фиксации (F st ). Гены-кандидаты, связанные с адаптацией к высокогорью, включая F1A , VEGFC , ZEB1 и SENP2 , были идентифицированы с помощью обоих подходов. Дополнительно посредством расчета F st был выявлен ген EPAS1 — наиболее значимый функциональный кандидат.

Селекция и генетический дрейф — ключевые источники генетической дифференциации между представителями исходных и современных пород (20). Изучение динамики изменений генофонда местных пород актуально, поскольку именно местные породы — это носители редких и ценных генетических вариантов, которые могут стать приоритетными в случае смены требований рынка и при климатических изменениях (20). A. Moscarelli с со-авт. (21) сообщили о наличии геномных регионов, которые различаются между исходными и современными популяциями бурого скота. I. Hulsegge с соавт. (20) исследовали генетическое разнообразие в геноме быков фризской породы, относящихся к предковой (1961-1989 годы) и современной (2003-2015 годы) популяциям, и выявили сокращение генетического разнообразия.

В настоящей работе впервые описаны результаты идентификации участков генома, закрепившихся в процессе отбора у контрастных групп крупного рогатого скота (северного и степного), приспособленных к значительно различающимся условиям внешней среды, проведена структурная и функциональная аннотация локализованных в этих участках генов. Выявлены гены, общие для современных и предковых популяций скота исследуемых групп.

Цель работы состояла в сравнительном анализе геномов музейных и современных образцов от крупного рогатого скота разных пород на основании данных полногеномного секвенирования для выявления участков генома, подвергшихся действию естественного и искусственного отбора.

Методика. Образцы черепов крупного рогатого скота, датированные концом XIX—началом XX века, были получены из Музея животноводства им. Е.Ф. Лискуна РГАУ — МСХА им. К.А. Тимирязева (г. Москва), образцы от современных племенных животных — из биологической коллекции Национального центра генетических ресурсов сельскохозяйственных животных ФГБНУ ФИЦ ВИЖ им. академика Л.К. Эрнста.

Группа северного скота (North Cattle, NC) была представлена образцами холмогорской и ярославской пород, ведущих свое происхождение от северного великорусского скота и относящихся к краниологическому типу 988

Bos taurus primigenius , группа степного скота (Steppe Cattle, SC) — образцами калмыцкого скота, относящегося к краниологическому типу Bos indicus Kuleschowi Sakowsky . Выборка музейных образцов (M, n = 20) включала образцы NC ( n = 15), в том числе 8 гол. холмогорского (KHLMH) и 7 гол. ярославского (YRSLH) скота, а также 5 гол. калмыцкого скота (KALMH), относящегося к группе SC. Выборка современных образцов включала соответственно 17 образцов холмогорского (KHLM), 11 образцов ярославского (YRSL) и 12 образцов калмыцкого скота (KALM).

ДНК из музейных образцов выделяли по методике, описанной ранее (12), из современных образцов — с помощью набора ДНК-Экстран 2 (ЗАО «Синтол», г. Москва). Библиотеки для полногеномного секвенирвоания с использованием технологии NGS готовили с помощью наборов TruSeq DNA Nano Library Prep kit («Illumina, Inc.», США) и Accel-NGS® 2S Plus DNA Library Kit («Integrated DNA Technologies, Inc.», США). Секвенирование выполняли на секвенаторе NovaSeq 6000 (2½150 bp). Полученные риды выравнивали относительно референсного генома КРС по сборке ARS_UMD 3.1.1 с использованием инструментов bwa-mem2 и SAMtools. В анализ были включены только SNPs, генотипированные более чем у 80 % образцов (--mind 0.2) c частотой минорного аллеля более 5 % (--maf 0.05), и образцы, у которых было генотипиро-вано не менее чем 90 % локусов (--geno 0.10). Используемые фильтры (-geno, --maf и --mind) применялись последовательно, чтобы сохранить максимальное число успешно генотипированных локусов, общих для большинства образцов. Итоговый набор данных включал генотипы по 1 615 259 SNPs.

Для выявления участков генома, находящихся под давлением отбора, применяли три метода: попарное сравнение популяций на основании генетических дистанций F st с использованием скользящего окна, которые отражают различия в частотах альтернативных аллелей, закрепившихся в каждой из исследуемых групп (22); анализ межпопуляционной гомозиготности гаплотипов (cross-population extended haplotype homozygosity, XP-EHH), который позволяет определить локусы, где исследуемый аллель приблизился или достиг фиксации в одной группе, но остается полиморфным в другой (23); определение регионов избыточной гомозиготности (островки ROH), что дает возможность выявлять участки с меньшей полиморфно-стью, чем в среднем по геному, возникшие в результате селекционного давления или событий инбридинга (24, 25).

Анализ F st при попарном сравнении пород проводили в программе VCFtools (26) на основании средних значений F st для скользящего окна, чтобы уменьшить вариации значений от локуса к локусу (27), поскольку изменения в процессе селекционного давления захватывают не только целевой регион, но и связанные с ним участки. Размер окна составлял 100 Kb с шагом 50 Kb ( z F st ) (--fst-window-size 100000, --fst-window-step 50000) и был выбран, исходя из предположения, что при большем размере окна некоторые участки, подвергнувшиеся давлению отбора, могут быть нивелированы из-за нарушения сцепления (28). Для предотвращения ложноположительных результатов и корректного сравнения значений между парами пород значения F st были стандартизированы и рассчитаны z-оценки. За участки, наиболее сильно подвергшиеся давлению отбора, были приняты регионы, содержащие SNPs, для которых значения z F st входили в 0,1 % максимальных значений, как было предложено ранее другими авторами (29, 30). Как отмечалось выше, небольшой размер групп, включенных в анализ, компенсировался значительным числом анализируемых локусов (11).

Анализ XP-EHH проводили с использованием R-пакета rehh (31)

для тех же пар пород, для которых определяли F st , с целью корректного сравнения результатов и выявления общих регионов.

Для идентификации следов селекции в геноме на первом этапе проводили поиск сегментов ROH методом последовательных прогонов (32), реализованным в пакете R detectRUNS (33), с использованием следующих параметров: минимальная длина сегмента — 0,5 Мb, минимальное число SNPs — 456, допускается 5 не генотипированных и 1 гетерозиготный вариант. Островками ROH считали участки ROH, перекрывающиеся на 0,3 Mb и более для более чем 50 % образцов в каждой исследуемой популяции. Принимая во внимание снижение качества секвенирования музейных образцов, мы уменьшили порог перекрывающегося участка в островках ROH для них с 0,3 Mb до 0,003 Mb.

Для структурной аннотации отбирали области генома, локализованные в пределах окна 0,4 Mb (от 0,2 Mb downstream до 0,2 Mb upstream от выявленного SNP или блока из SNPs) для SNPs, выявленных с помощью метода F st , и идентифицированные регионы XP-EHH и островки ROH. Идентификацию генов, полностью или частично локализованных внутри таких регионов, проводили с использованием инструментов VEP (34) и BioMart (35), реализованных на платформе ENSEMBL, выпуск 94 (36). Списки генов для каждой геномной области, полученные с помощью инструмента BioMart, были сопоставлены с опубликованными данными для определения основных генов-кандидатов и других генов, представляющих интерес. В случаях, когда возникала необходимость преобразовать координаты генома между ныне действующей референсной сборкой генома Bos taurus (ARS-UCD1.2) и более ранней версией (UMD3.1.1) для сравнения с другими исследованиями, применяли инструмент UCSC liftOver (37).

Для функциональной аннотации и анализа обогащения списка генов генами с определенной функцией в терминах генной онтологии (GO) использовали базу данных для аннотации, визуализации и интегрированного обнаружения (DAVID) v6.8 (38, 39). Значимыми считали кластеры аннотаций с оценкой обогащения более 1,12, что соответствует p < 0,05. Для более точного понимания связей между выявленными генами и хозяйственно полезными признаками провели поиск локусов количественных признаков, расположенных внутри генов, с использованием базы данных cattleQTLdb (40) по сборке генома крупного рогатого скота ARS_UCD 1.2 с помощью оригинального R-скрипта. Анализ фенотипов, потенциально связанных с идентифицированными генами-кандидатами, проводили на основании источников литературы, размещенных в базе данных PubMed Национального центра биотехнологической информации ; NCBI Resource Coordinators, 2016). Информацию для аннотации некоторых генов получали из Gene Cards (41) и UniProt ; The UniProt Consortium, 2021).

Результаты . Как следует из полученных данных, мы не выявили перекрывающихся регионов z F st как в современных, так и предковых популяциях северного и калмыцкого скота (рис. 1, табл. 1). У современного скота такие регионы были локализованы на BTA4, BTA6, BTA14 и BTA16, в то время как у предкового скота — на BTA5, BTA7, BTA9, BTA10, BTA13, BTA18, BTA20 и BTA24. Наибольшее число регионов z F st у современного скота было локализовано на BTA16 (16 регионов), у предкового — на BTA18 (7 регионов) и BTA9 (6 регионов).

Рис. 1. Значения zF ST при попарном сравнении северного и калмыцкого скота ( Bos taurus ), рассчитанные на основании генотипов по 1 615 259 SNPs: А — музейные образцы, Б — современные образцы. SNP локализованы по оси X в соответствии с их расположением на хромосоме; горизонтальная линия показывает порог, который был установлен на уровне 0,1 % блоков SNP с наиболее высокими значениями z Fst. Описание образцов см. в разделе «Методика».

• 1.    Регионы, входящие в 0,1 % по среднему значению z F st , рассчитанному для SNPs, локализованных внутри скользящего окна длиной 50 Kb, при попарном сравнении северного и степного скота ( Bos taurus ) музейных образцов (М) и современных популяций (С)

  BTA	Группа	Позиция, Mb		Число SNPs в окне	Fst (среднее)	z-Оценка
  		начало	конец
  3	М	3,10	3,15	6	0,290	7,544
  7	М	19,90	19,95	19	0,255	6,592
  	С	42,74	42,79	2	0,684	9,999
  	М	104,12	104,17	3	0,245	6,333
  		104,13	104,18	3	0,245	6,333
  9		104,14	104,19	3	0,245	6,333
  		104,15	104,20	4	0,258	6,696
  		104,52	104,57	1	0,424	11,129
  		104,53	104,58	3	0,281	7,298
  10	М	18,77	18,82	1	0,355	9,278

  11	М	55,48 101,50	55,53 101,55	13 20	0,266 0,246	6,887 6,353
  14	С	23,24	23,29	14	0,741	10,905
  		23,25	23,30	12	0,691	10,105
  15	М	49,92	49,97	1	0,253	6,549
  		51,42	51,47	1	0,241	6,216
  		51,43	51,48	1	0,241	6,216
  16	М	48,15	48,20	1	0,544	14,339
  		56,99	57,04	1	0,355	9,278
  17	М	70,73	70,78	1	0,241	6,216
  		70,74	70,79	1	0,241	6,216
  18	С	14,66	14,71	1	0,753	11,101
  		14,67	14,72	1	0,753	11,101
  		14,68	14,73	1	0,753	11,101
  19	М	43,24	43,29	2	0,272	7,050
  	М	0,56	0,61	28	0,251	6,503
  	С	0,83	0,88	8	0,694	10,152
  		0,84	0,89	8	0,694	10,152
  		0,85	0,90	8	0,709	10,404
  		0,86	0,91	8	0,679	9,914
  		0,87	0,92	6	0,662	9,657
  		0,92	0,97	1	0,709	10,394
  		0,93	0,98	2	0,715	10,487
  		0,94	0,99	2	0,715	10,487
  21		0,95	1,00	3	0,719	10,553
  		0,96	1,01	3	0,719	10,553
  		1,05	1,10	6	0,704	10,323
  		1,06	1,11	5	0,709	10,397
  		1,23	1,28	6	0,683	9,978
  		1,24	1,29	7	0,684	9,999
  		1,25	1,30	5	0,681	9,949
  		1,26	1,31	8	0,666	9,721
  		1,27	1,32	6	0,667	9,722
  		1,28	1,33	7	0,670	9,779
  		1,29	1,34	8	0,663	9,665
  23	М	0,09	0,14	2	0,274	7,109
  		0,60	0,65	2	0,241	6,216
  		15,98	16,03	10	0,252	6,513
  24	М	54,08	54,13	14	0,242	6,255
  27	М	45,54	45,59	1	0,355	9,278
  		45,55	45,60	1	0,355	9,278
  		45,56	45,61	2	0,298	7,747

• 2.    Характеристика регионов XP-EHH, идентифицированных на основании 1 615 259 SNPs, при попарном сравнении северного и степного скота ( Bos taurus ) музейных образцов (М) и современных популяций (С)

  BTA	Группа	Позиция, Mb		Число SNPs	Cреднее число SNPs	Число экстремальных SNPs	Доля экстремальных SNPs	Среднее число экстремальных SNPs
  		начало	конец
  1	С	1,20	3,10	1193	1,12	5	0,42	8,96
  		98,60	100,50	597	0,49	3	0,50	8,70
  3	С	71,90	73,80	739	0,98	9	1,22	9,51
  5	С	23,50	25,40	861	1,72	22	2,56	10,07
  	М	90,70	92,60	444	0,55	2	0,45	6,29
  8	М	9,30	11,20	645	0,58	5	0,78	8,23
  		112,10	114,00	495	0,54	9	1,82	9,18
  10	С	57,80	59,70	560	0,89	3	0,54	8,48
  11	М	100,30	102,20	528	1,25	2	0,38	7,04
  13	С	0,00	1,20	1710	1,61	51	2,98	9,88
  14	С	22,30	24,20	669	2,02	5	0,75	8,72
  15	М	44,90	46,80	541	0,61	3	0,55	6,24
  	С	50,50	52,40	1197	0,55	3	0,25	9,41
  18	М	29,20	31,10	417	0,46	2	0,48	7,33
  20	М	1,40	3,30	385	0,49	4	1,04	7,34
  	С	30,70	32,60	648	1,09	4	0,62	9,30

• 3.    Гены, локализованные на BTA11 внутри региона, идентифицированного методами zFST и XP-EHH, при сравнении музейных образцов северного и калмыцкого скота ( Bos taurus )

• 4.    Кластеризация генов на BTA11, выявленных при сравнении музейных образцов северного и калмыцкого скота ( Bos taurus )

  Категория	Термины	n	1 % 1	p	п       Гены
  	Кластер 1 (степень насыщения: 1,71)
  GOTERM_CC_DIRECT	GO: 0005604~basement membrane	3	14,3	0,002	LAMC3 , HMCN2 , AIF1L
  UP_KW_LIGAND	KW-0106~Calcium	5	23,8	0,005	LAMC3 , FIBCD1 , NCS1 , HMCN2 , AIF1L
  GOTERM_BP_DIRECT UP_KW_CELLULAR_COM	GO: 0007411~axon guidance	3	14,3	0,008	LAMC3 , HMCN2 , AIF1L
  PONENT	KW-0272~Extracellular matrix	3	14,3	0,011	LAMC3 , HMCN2 , AIF1L
  SMART	SM00181: EGF	3	14,3	0,015	LAMC3 , HMCN2 , AIF1L
  GOTERM_MF_DIRECT	GO:0005509~calcium ion binding	4	19,1	0,017	LAMC3 , NCS1 , HMCN2 , AIF1L
  INTERPRO UP_KW_CELLULAR_COM	IPR000742: EGF-like_dom	3	14,3	0,018	LAMC3 , HMCN2 , AIF1L
  PONENT	KW-0964~Secreted	5	23,8	0,025	LAMC3 , FIBCD1 , HMCN2 , QRFP , AIF1L
  	Кластер 2 (степень насыщения: 1,52)
  UP_KW_LIGAND	KW-0106~Calcium	5	23,8	0,005	LAMC3 , FIBCD1 , NCS1, HMCN2 , AIF1L

• 5.    Островки ROH, идентифицированные в музейных образцах исследованных пород крупного рогатого скота ( Bos taurus ), и перекрывающиеся с ними островки ROH, выявленные в современных образцах

• 6.    Гены, локализованные внутри островков ROH, перекрывающихся для музейных и современных образцов у крупного рогатого скота ( Bos taurus )

  BTA	Позиция, п.н.		Группа	Гены
  	начало	конец
  1	1618395	2021023	YRSL	ATP5PO , ITSN1 а, bta-mir-12045 , bta-mir-2285bs а, CRYZL1 , DONSON , SON , bta-mir-6501 , GART b
  	1715056	1757597	YRSLH	ITSN1 а, bta-mir-2285bs а
  3	42234489	42308800	YRSLH	DPH5
  	42998765	43309404	YRSL	RTCA , DBT , LRRC39 , TRMT13 , SASS6 , MFSD14A , SLC35A3 b, U5
  4	70715789	70718893	YRSLH	C4H7orf31
  5	48333100	48863644	YRSL	LEMD3 , WIF1 , U6
  	48888892	49039803	YRSLH	TBC1D30 а
  	48934026	49017630	KALMH	TBC1D30 а
  7	49430074	50577564	YRSL	WNT8A , NME5 , BRD8 , CDC23 , KIF20A , GFRA3 , CDC25C , SLBP2 , FAM53C , bta-mir-2459 , KDM3B , REEP2 , EGR1 , ETF1 , HSPA9 , SNORD63 , CTNNA1 , 5S_rRNA а, LRRTM2 а, SIL1 а
  	49430074	49916441	KALM	WNT8A , NME5 , BRD8 , CDC23 , KIF20A , GFRA3 , CDC25C , SLBP2 , FAM53C , bta-mir-2459 , KDM3B , REEP2 , EGR1 , ETF1 , HSPA9 , SNORD63
  	49463093	51163997	KHLM	WNT8A , NME5 , BRD8 , CDC23 , KIF20A , GFRA3 , CDC25C , SLBP2 , FAM53C , bta-mir-2459 , KDM3B , REEP2 , EGR1 , ETF1 , HSPA9 , SNORD63 , CTNNA1 , 5S_rRNA а, LRRTM2 а, SIL1 а, SNORA74 , bta-mir-1949 , MATR3 , PAIP2 , SLC23A1 , MZB1 , PROB1 , SPATA24 , DNAJC18 , ECSCR , SMIM33 , STING1 , UBE2D2 , CXXC5 , PSD2 , NRG2
  	49989331	50632057	KALM	5S_rRNA а, LRRTM2 а, SIL1 а, SNORA74 , bta-mir-1949 , MATR3 , PAIP2
  	50117105	50256308	YRSLH	5S_rRNA а, LRRTM2 а
  	50265014	50310721	YRSLH	SIL1 а

  
  
  
  

  43803928 KALM

  43659331 YRSLH

  
  

  MAP4K5 , ATL1 , SAV1 , NIN ^а, ABHD12B , PYGL NIN ^а

  
  

  27282406 KHLM CAPN8 ^а, CAPN2 , TP53BP2

  27002553 KHLMH CAPN8 ^а

  
  
  
  
  
  

  75604057 KHLMH bta-mir-29b-2 , bta-mir-29c , CD46

  14803960 KHLM ACSF3 , CDH15 , SLC22A31 , ANKRD11 ^а, SPG7 , RPL13 , SNORD68 , CPNE7 , DPEP1 , CHMP1A , SPATA33 , CDK10 , SPATA2L , VPS9D1 , ZNF276 , FANCA , SPIRE2 , TCF25 , MC1R ^b, TUBB3 , DEF8 , DBNDD1 , GAS8 , URAH

  14600983 YRSL    CDH15 , SLC22A31 , ANKRD11 ^а, SPG7 , RPL13 , SNORD68 , CPNE7 ,

  DPEP1 , CHMP1A , SPATA33 , CDK10 , SPATA2L , VPS9D1 , ZNF276

  14386043 KHLMH ANKRD11 ^а

  
  

  22016727 22094725 KALMH GPBP1

  
  

  Примечание. KALM

  
  

Примечание. BTA — номер аутосомы крупного рогатого скота; Fst (среднее) — среднее значение Fst, рассчитанное для SNPs, расположенных внутри скользящего окна размером 100 Kb; z-оценка — стандартизированные значения Fst. Описание образцов см. в разделе «Методика».

Как и в случае zF ST , мы не выявили перекрывающихся XP-EHH регионов как в современных, так и в предковых популяциях при сравнении северного и калмыцкого скота (рис. 2, табл. 2). У современного скота такие регионы были локализованы на BTA1, BTA3, BTA5, BTA10, BTA14, BTA15, BTA20, BTA21 и BTA22, у предкового скота — на BTA5, BTA8, BTA11, BTA15, BTA18, BTA20, BTA22, BTA23, BTA25 и BTA26. У современного скота два региона XP-EHH локализовались на BTA1, у предкового скота — на BTA8 и BTA25. На остальных хромосомах, на которых выявили регионы XP-EHH, мы идентифицировали по одному такому региону.

Было показало наличие только одного перекрывающегося региона, идентифицированного обоими методами, при сравнении музейных образцов от северного и калмыцкого скота на BTA11 (позиции 101,50-101,55 Mb для метода z F st и 100,30-102,20 Mb — для метода XPEHH). Структурная аннотация этого региона показала локализацию в нем 23 генов, в том числе два гена ( U6 и SNORD62 ) не относились к протеин-кодирующим, а были связаны с модификациями рибосомных РНК в ядрышке (табл. 3). Интересно отметить, что, согласно данным базы OMIA, ген ASS1 связан с цит-руллинемией (запись OMIA000194) — моногенным заболеванием, характеризующимся нарушением обмена мочевины и вызывающим гибель новорожденных телят на 3-и - 5-е сут жизни.

Рис. 2. Регионы XP-EHH, выявленные при попарном сравнении северного и калмыцкого скота ( Bos taurus ) на основании анализа генотипов по 1 615 259 SNPs: А — музейные образцы, Б — современные образцы. SNPs локализованы по оси X в соответствии с их расположением на хромосоме; горизонтальная линия показывает порог, который был установлен на уровне 0,1 % блоков SNPs с наиболее высокими значениями - log(p). Описание образцов см. в разделе «Методика».

21	С	1,10	3,00	551	2,59	5	0,91	9,92
22	С	17,90	19,80	748	0,86	2	0,27	8,51
	М	49,50	51,40	356	0,74	2	0,56	6,72
23	М	16,90	18,80	358	0,58	4	1,12	6,91
25	М	37,90	39,80	621	0,98	9	1,45	8,34
		40,50	42,40	740	0,85	2	0,27	6,46
26	М	49,90	51,80	475	0,59	2	0,42	6,64

Примечание. BTA — номер аутосомы крупного рогатого скота; число SNPs — число SNP внутри XP-EHH региона; среднее число SNPs — среднее число SNPs внутри региона; число экстремальных SNPs — число SNPs, превышающих пороговое значение (при p ≤ 10 ^{- 4}); доля экстремальных SNPs — доля SNPs, превышающих пороговое значение (при p ≤ 10 ^{- 4}). Описание образцов см. в разделе «Методика».

Позиция, п.н.		Ген	Полное название гена	Тип гена
начало	конец
100410491	100463233	GPR107	G protein-coupled receptor 107	ПРК
100490472	100534966	NCS1	Neuronal calcium sensor 1	ПРК
100580768	100757175	HMCN2	Hemicentin 2	ПРК
100770166	100822252	ASS1*	Argininosuccinate synthase 1	ПРК
100882266	100931850	FUBP3	Far upstream element binding protein 3	ПРК
100937424	100937524	U6	U6 spliceosomal RNA	мяРНК
100951292	100966190	PRDM12	PR/SET domain 12	ПРК
100975458	100985125	EXOSC2	Exosome component 2	ПРК
100988747	101131037	ABL1	ABL protoonco 1, non-receptor tyrosine kinase	ПРК
101136448	101136852	QRFP	Pyroglutamylated RFamide peptide	ПРК
101147884	101179089	FIBCD1	Fibrinogen C domain containing 1	ПРК
101225317	101291690	LAMC3	Laminin subunit gamma 3	ПРК
101296503	101321933	AIF1L	Allograft inflammatory factor 1 like	ПРК
101323401	101414345	NUP214	Nucleoporin 214	ПРК
101450754	101465047	FAM78A	Family with sequence similarity 78 member A	ПРК
101477364	101504765	PLPP7	Phospholipid phosphatase 7 (inactive)	ПРК
101536817	101618215	PRRC2B	Proline rich coiled-coil 2B	ПРК
101607876	101607961	SNORD62	Small nucleolar RNA SNORD62	мяРНК
101611878	101611963	SNORD62	Small nucleolar RNA SNORD62	мяРНК
101622925	101642291	POMT1	Protein O-mannosyltransferase 1	ПРК
101639654	101645280	UCK1	Uridine-cytidine kinase 1	ПРК
101652894	101678757	PRRT1B	Proline rich transmembrane protein 1B	ПРК
101696993	101834040	RAPGEF1	Rap guanine nucleotide exchange factor 1	ПРК
101945497	102165314	MED27	Mediator complex subunit 27	ПРК
Примечание	BTA — номер аутосомы		крупного рогатого скота, позиция — позиция на	хромосоме

(п.н. — пары нуклеотидов), мяРНК — ген малой ядрышковой РНК, ПРК — протеин-кодирующий ген.

Функциональная аннотация выявленных генов, проведенная с помощью онлайн-ресурса DAVID, показала достоверное (p < 0,05) обогащение генами, связанными с процессами развития аксонов, обменом кальция, клеточным ответом на стимуляцию эпидермальным фактором роста (табл. 4).

Ïðîäîëæåíèå òàáëèöû 4

UP_SEQ_FEATURE

INTERPRO

GOTERM_MF_DIRECT

INTERPRO

DOMAIN: EF-hand

IPR002048: EF_hand_dom

GO: 0005509~calcium ion binding

IPR011992: EF-hand-dom_pair

3  14,3  0,013 LAMC3 , NCS1 , AIF1L

3  14,3  0,015 LAMC3 , NCS1 , AIF1L

4  19,1  0,017 LAMC3 , NCS1 , HMCN2 ,

AIF1L

3  14,3  0,021 LAMC3 , NCS1 , AIF1L

Ген LAMC3 служит частью метаболического пути формирования внеклеточного матрикса, оказывает влияние на развитие тканей, процессы репарации, дифференцировки и миграции клеток (42). Полногеномный ассоциативный мета-анализ, проведенный на голштинском, монбельярдском и нормандском крупном рогатом скоте, обнаружил связь этого гена с удоем (43). Была показана связь SNP в гене LAMC3 с содержанием бета-лактогло-булина у итальянского бурого швицкого скота (44), а также с показателями фертильности (доля стельных животных, степень оплодотворяемости телок и коров) у голштинского скота американской селекции (45). Ген LAMC3 был локализован в регионе, находящимся под давлением отбора в популяции немецкого симментальского скота (46). Принимая во внимание связь мутаций в LAMC3 с пороками развития затылочной коры головного мозга у человека (47), авторы предположили, что давление отбора на этот ген могло быть нацелено на признаки поведения, такие как сдержанный темперамент во время доместикации. У свиней LAMC3 участвует в ремоделировании жировой ткани, воспалении и резистентности к инсулину, ассоциированных с ожирением (48). Экспрессия LAMC3 в жировой ткани свиней коррелировала с показателями упитанности (49) и варьировала в мышцах в зависимости от содержания жира в рационе (50). Связь с метаболизмом липидов у свиней показана еще у одного идентифицированного нами гена — NCS1 (51). Обнаружена ассоциация гена FIBCD1 с признаками конституции у китайского голштинского скота (52). Ген HMCN2 был связан с мрамор-ностью мяса у японского скота Hanwoo (53), теплоустойчивостью у восьми китайских пород крупного рогатого скота и яков (54). Регион на BTA11 в области 101 Mb включал позиционные гены-кандидаты LAMC3 , ABL1 , FIBCD1 , QRFP и другие, локализованные в непосредственной близости от SNP rs110144789 (BTA11), ассоциированного с устойчивостью к клещам у бразильских брафордов и герефордов (55).

По результатам анализа ROH в музейных образцах мы идентифицировали 17 островков ROH, в том числе 13 — в группе северного скота (5 — у KHLMH и 8 — у YRSLH) и 4 — у KALMH (табл. 5). В геноме KALMH островки ROH локализовались на BTA1, BTA5, BTA20 и BTA29, в геноме KHLMH — на BTA16 (2 островка) и BTA18 (3 островка), в геноме YRSLH — на BTA1, BTA3, BTA4, BTA5, BTA7 (2 островка), BTA10 и BTA24.

Из 7 островков ROH, выявленных в геноме YRSLH, 5 перекрывались c островками ROH в геноме YRSL, из которых 1 был обнаружен также в геноме KALMH, а 2 — в геноме KALM и KHLM. Анализ базы этих локусов количественных признаков (40) показал, что выявленные островки ROH локализовались в области QTL фертильности (BTA1), удоя (BTA7), состава молока, включая количество белка (BTA3, BTA5) и количество каппа-казеина (BTA1), а также скорости роста и живой массы (BTA7).

Из 5 островков ROH, обнаруженных в геноме KHLMH, 2 перекрывались с островками ROH в геноме KHLM, из которых 1 был также идентифицирован у YRSL. По результатам скрининга базы данных QTL (40) была установлена локализация этих островков ROH в области QTL роста, живой массы (BTA16), потребления корма (BTA16, BTA18). Один из четырех островков ROH в геноме KALMH на BTA5 перекрывался с островков

ROH у современного и предкового ярославского скота.

BTA	Островки ROH
	KALM 1	KALMH	KHLM 1	KHLMH 1	YRSL	YRSLH
1					1,62-2,02	1,71-1,76
					(282; 0,403)	(21; 0,043)
		61,6-61,7 (31; 0,044)
3					43,0-43,3	42,2-42,3
					(145; 0,311)	(25; 0,074)
4						32,9-33,3 (23; 0,037)
5		48,9-49,9			48,3-48,9	48,9-49,1
		(41; 0,084)			(142; 0,531)	(104; 0,151)
7	49,4-49,9		49,4-51,2		49,4-50,6	50,1-50,3
	(60; 0,486)		(303; 1,701)		(220; 1,147)	(26; 0,139)
	49,9-50,6					50,3-50,3
	(136; 0,643)					(20; 0,046)
10	43,3-43,8					43,6-43,7
	(150; 0,501)					(13; 0,029)
16			26,9-27,3	26,9-27,0
			(215;0,383)	(41; 0,083) 75,5-75,6 (90; 0,111)
18				13,5-13,5 (7; 0,022) 13,5-13,6 (30; 0,028)
			14,1-14,8	14,3-14,4	14,2-14,6
			(274; 0,748)	(30; 0,065)	(155; 0,356)
20		22,0-22,1 (35; 0,078)
24						28,9-29,0 (14; 0,041)
29		38,1-38,2 (14; 0,030)

Примечание. Над чертой — начало-конец, Mb, под чертой — (число SNPs; длина, Mb). KALM и KALMH — современные и музейные образцы от калмыцкого скота, KHLM и KHLMH — современные и музейные образцы холмогорского скота, YRSL и YRSLH — современные и музейные образцы ярославского скота; BTA — номер аутосомы крупного рогатого скота.

и KALMH — современные и музейные образцы калмыцкого скота, KHLM и

KHLMH — современные

и музейные образцы холмогорского скота, YRSL и YRSLH — современные и музейные образцы ярославского скота; BTA — номер аутосомы крупного рогатого скота; a — гены, общие для музейных и современных групп, b — гены, для которых есть записи в базе данных OMIA. Описание образцов см. в разделе «Методика».

Островок ROH в области 49,3-52,4 Mb на BTA7, который в наших исследованиях был выявлен у музейных образцов ярославского скота и всех трех изученных пород современного скота, также обнаружен при исследовании 18 альпийских пород крупного рогатого скота (56) и 8 китайских пород скота (57). Структурная аннотация показала локализацию в островках ROH 102 генов на девяти аутомосомах (BTA1, BTA3, BTA4, BTA5, BTA7, BTA10, BTA16, BTA18 и BTA20). Наибольшее число генов было выявлено на BTA7 и BTA18 (соответственно 39 и 26 генов) (табл. 6).

В современных образцах ярославской породы было выявлено 54 гена, в то время как в музейных — всего 9 генов. Причем 5 выявленных генов (ITSN1 и bta-mir-2285bs на BTA1; 5S_rRNA, LRRTM2 и SIL1 на BTA7) совпадали для YRSL и YRSLH. В современной холмогорской породе было идентифицировано 63 гена, в то время как в музейных образцах — всего 5 генов, 2 из которых (CAPN8 на BTA16 и ANKRD11 на BTA18) были выявлены в KHLM. У современного калмыцкого скота обнаружили 29 генов, а в музейных образцах — всего 2 гена, причем ни один не совпал с выявленными в современных образцах. Для музейных образцов ярославской и калмыцкой породы выявлен общий ген TBC1D30, локализованный на BTA5. Интересно отметить, что обнаруженные у YRSL гены GART и SLC35A3 имеют записи в базе данных признаков животных с менделевским типом наследования (OMIA) . Рецессивная мутация в гене GART (OMIA 001826) связана с гаплотипом фертильности голштинского скота HH4 и приводит к прерыванию стельности (58). Была показана связь этой мутации в гене GART с репродуктивными качествами голштинского скота российской селекции, включая продолжительность сервис-пе-риода и интервал между отелами (59). Ген SLC35A3 (OMIA 001340) связан с комплексным пороком развития позвоночника (complex vertebral malformation, CVM) — рецессивной мутацией, приводящей к гибели плода (60). В KHLM выявлен ген MC1R, для которого в базе данных OMIA есть две записи. Одна запись (OMIA 001199) связана с окрасом шерсти (61, 62), вторая (OMIA001544) — с гипотрихозом и ослаблением окраски шерсти (синдром крысиного хвоста) (63).

Функциональная аннотация указанных генов показала формирование десяти кластеров, из которых только для двух (табл. 7) было выявлено значимое насыщение (уровень насыщения >1,13, p ≤ 0,05). В первый кластер вошли гены EGR1, CDC23, STING1, CTNNA1, ATP5PO, RPL13, ETF1, PAIP2, SIL1, для которых отмечено участие в процессах регуляции транскрипции, опосредованном ответе на гипоксию и ишемию, регуляции био- синтеза лютеинизирующего гормона, регуляции пролиферации и апоптоза клеток, регуляции клеточного цикла. Во второй кластер вошли гены HSPA9, STING1, TUBB3, RTCA, UBE2D2, ATL1, CDK10, KIF20A, PYGL, GART, ACSF3, которые связаны с регуляцией физиологических процессов, индукцией иммунного ответа, развитием нервной ткани.

7. Кластеризация генов, локализованных внутри островков ROH, перекрывающихся для музейных и современных образцов у северного и калмыцкого скота ( Bos taurus )

Категория            Термины I n ] % ] p I           Гены

Кластер 1 (степень насыщения: 1,27)

UP_SEQ_FEATURE	CROSSLNK: Glycyl lysine isopeptide (Lys-Gly) (interchain with G-Cter in SUMO2)	5	5,95	0,027	EGR1 , CDC23 , CTNNA1 , RPL13 , ETF1
UP_KW_PTM	KW-0832~Ubl conjugation	9	10,71	0,073	EGR1 , CDC23 , STING1 , CTNNA1 , ATP5PO , RPL13 , ETF1 , PAIP2 , SIL1
UP_KW_PTM	KW-1017~Isopeptide bond     7 8,33  0,078 EGR1 , CDC23 , STING1 , TUBB3 , CTNNA1 , RPL13 , ETF1 Кластер 2 (степень насыщения: 1,14)
UP_KW_LIGAND	KW-0547~Nucleotide-binding	11	13,09	0,039	HSPA9 , STING1 , TUBB3 , RTCA , UBE2D2 , ATL1 , CDK10 , KIF20A , PYGL , GART , ACSF3
GOTERM_MF_DIRECT	GO: 0005524~ATP binding	10	11,90	0,073	HSPA9 , RTCA , UBE2D2 , CDK10 , SPG7 , KIF20A , PYGL , MAP4K5 , GART , ACSF3
UP_KW_LIGAND	KW-0067~ATP-binding	8	9,52	0,134	HSPA9 , RTCA , UBE2D2 , CDK10 , KIF20A , MAP4K5 , GART , ACSF3

Из общего списка идентифицированных генов семь находились в островках ROH, выявленных как у предкового, так и у современного северного скота, включая гены ITSN1, bta-mir-2285bs на BTA1, 5S_rRNA, LRRTM2, SIL1 на BTA7 — у ярославского скота и CAPN8 на BTA16 и ANKRD11 на BTA18 — у холмогорского скота. Ген CAPN8 находился под давлением отбора у бурого швицкого скота (64). У тайского молочного скота выявлена ассоциация гена CAPN8 с содержанием соматических клеток в молоке (65). Ген LRRTM2 связан с персистентностью лактации у буйволов (66). Ген ANKRD11 подвержен действию отбора у скота породы Sahiwal (3). Ген TBC1D30 , локализованный в островке ROH у предкового северного (ярославский скот) и степного скота, ассоциировался c возрастом первого отела и долей двоен у голштинского скота (67, 68), а также со способностью длительно сохранять репродуктивный потенциал (продолжительность продуктивного использования) у крупного рогатого скота породы Nelore (69). У итальянской локальной породы скота Reggiana была показана связь гена TBC1D30 с пигментацией (интенсивностью окраски шкуры в градации красного) (70). Интересно, что у человека этот ген ассоциируется с цветом волос (71).

Таким образом, исследование северного (холмогорского и ярославского) и степного (калмыцкого) скота показало, что давлению отбора в большинстве случаев были подвержены различные участки генома. Это может быть следствием различий в целях и направлениях селекции в предковых и современных популяциях изучаемых пород. Интересно отметить, что для предковых популяций ярославской и калмыцкой пород выявлен общий ген TBC1D30 , ассоциированный с репродуктивными качествами и пигментацией. Этот факт может свидетельствовать о том, что, несмотря на разное происхождение и условия обитания, в исследованных популяциях могли сформироваться схожие генетические механизмы приспособления к выживанию в различных климатических зонах — северной и степной. Эти данные подчеркивают конвергентную эволюцию ключевых генов в ответ на 998

влияние экологических факторов. Вместе с тем в геноме музейных образцов северного скота обнаружено 7 островков ROH (в том числе 5 — у ярославского скота, 2 — у холмогорского скота), перекрывающихся с одноименными современными популяциями. Выявленные островки ROH локализовались в области QTL удоя и состава молока, включая содержание белка и каппа-казеина, скорости роста и живой массы, а также фертильности. Полученные данные дают основание полагать, что указанные признаки были приоритетными в селекции как предкового, так и современного холмогорского и ярославского скота.