12月04 【成功案例】不同肌內脂肪含量的兩種牛中肝臟轉錄組研究
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不同肌內脂肪含量的兩種牛中肝臟轉錄組研究
發(fā)表雜志：Biochemical?and?Biophysical?Research?Communications
影響因子：2.466
PMID：28669724
摘要
肌內脂肪（IMF）含量是牛肉質量的重要決定因素。晉南牛和西門塔爾牛之間的IMF含量有顯著差異。在這里，為了鑒定與IMF沉積有關的候選基因和網絡，研究人員深入探索了這兩種牛中肝臟的轉錄組結構。研究人員對5個晉南牛和3個西門塔爾牛的肝臟進行轉錄組測序，產生了約4139M?reads。共檢測到124個差異表達基因（DEGs），在晉南牛肉中，有53個上調，71個下調。?此外，共鑒定了1282個潛在的新基因。GO分析顯示，這些DEGs（包括CYP21A2，PC，ACACB，APOA1和FADS2）在脂質生物合成過程、膽固醇酯化調節(jié)、膽固醇逆向轉運和脂蛋白脂肪酶活性的調節(jié)中顯著富集。參與丙酮酸代謝途徑的基因也顯著過表達。此外，本研究還確定了一個與脂質代謝有關的相互作用網絡，這可能是導致牛在基因組中沉積的原因。由此推論，參與調節(jié)脂質代謝的DEGs可能在IMF沉積中起重要作用。綜上所述，研究者提出了一組候選基因和相互作用網絡，可以與IMF沉積相關聯(lián)，并用作牛的育種中的生物標志物。
背景
牛肉是人類食物最重要的蛋白質來源之一。在不同品種的牛之間，生長速度，肌肉質量和肉質存在顯著差異。津南黃牛是我國五大黃牛品種之一，以其肉質鮮嫩，紋路鮮明而聞名。相比之下，源自瑞士的西門塔爾牛是世界上大量喂養(yǎng)的品種，主要用于生產好的乳品或肉質的品種，它們的生長速度較快，瘦肉含量高，以至于肌內脂肪（IMF）含量以及嫩度低于晉南牛肉。?IMF含量和肌肉纖維特性是肉品質的主要決定因素，包括感官特性（嫩度，多汁性和風味）和營養(yǎng)價值。IMF含量與牛肉感官品質性狀呈正相關。西門塔爾牛和晉南牛的IMF含量差異使其成為比較基因組學研究的重要材料，用來研究牛肌內脂肪酸沉積的分子機制。
肝臟與脂肪組織和骨骼肌是哺乳動物脂質代謝和其他代謝過程中最重要的器官之一。它是非酯化脂肪酸吸收、氧化和代謝轉化的中心器官。此外，它具有從頭脂肪生成，細胞質三酰甘油儲存，從葡萄糖和其他非脂質前體合成脂肪酸的酶活性。隨著高通量測序技術的發(fā)展，已有對豬和乳鴿肝臟進行轉錄組研究，以探索影響IMF成分的潛在候選基因。日本黑色longissimus?dorsi和荷斯坦黑白花牛轉錄組報告顯示，在日本黑牛中，具有較強IMF沉積能力特征的差異表達基因中，大多數表達上調。并且鑒定了一個與細胞形態(tài)和脂質代謝相關的基因網絡。然而，并沒有兩種不同IMF水平的牛肝臟比較轉錄組學研究。
在該研究中，使用RNA-Seq方法來分析西門塔爾牛和津南牛的肝臟轉錄組數據。這項研究的主要目標是確定差異表達的基因和相互作用網絡，這可能有助于牛的肌內脂肪酸組成研究。?另外，該研究鑒定的候選基因可能會對牛的分子育種有幫助。
材料和方法
為了消除性別差異，該研究全部選擇雄性牛。3頭西門塔爾和5頭晉南牛，生長1.5年，屠殺后30分鐘內取肝臟組織，在液氮中快速儲存，提取總RNA。
測序平臺：北京百邁客生物科技有限公司Illumina?Hiseq?3000平臺，PE150
分析平臺：百邁客云科技有限公司（BMKCloud）
分析內容：1.低質量reads質控；
2.參考基因組比對（Bos?taurus參考基因組，版本UMD?3.1.1）；
3.基因表達量和差異表達分析；
4.差異表達基因的功能富集分析；
5.蛋白質互作分析；
結果
1.西門塔爾牛和晉南牛肝組織RNA測序結果
使用Illumina?Hiseq?3000平臺對西門塔爾（n?=?3）和晉南（n?=?5）牛的肝進行轉錄組測序。質控后共獲得61.33?Gb數據，約為牛基因組的23倍。8個樣本的Q30均大于93％。與參考基因組比對率均在80.27％-85.48％范圍內（表1）。
表1.RNA測序數據和比對結果統(tǒng)計
2.新基因的鑒定和注釋
利用Cufflinks軟件來鑒定西門塔爾牛和晉南牛的新基因。該研究中共檢測到1282個潛在的新基因。?其中，有1043個基因通過與數據庫（NR，Swiss-Prot，GO，COG，KOG，Pfam和KEGG）比對進行了注釋。?值得關注的是，在Swiss-Prot蛋白質數據庫中可以注釋到364個新基因，這意味著它們是潛在的蛋白質編碼基因，在之前的牛參考基因組中沒有注釋。?此外，?GO和KEGG數據庫中分別注釋548和371個新基因。
3.差異基因表達分析
使用DESeq?R軟件包鑒定西門塔爾牛與晉南牛的差異表達基因（DEGs）。將Fold?Change≥2且FDR<0.05作為篩選標準，共鑒定了124個顯著的DEGs，其中晉南牛中有53個（42.7％）上調，71個（57.3％）下調（圖2）。西門塔爾牛和晉南牛中17個新基因有顯著差異。一些轉錄本在豐度上有很大的差異，如ENSBTAG00000047322（|log2-fold?change|?=?7.16），血紅蛋白亞基beta（HBB，|log2-fold?change|=?3.76）和超氧化物歧化酶1（SOD1，|log2-fold?change?|=?8.38）它們被認為與肌內脂肪酸組成相關的候選基因。
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圖1.兩種牛中124個差異表達基因熱圖
4.差異表達基因功能富集分析
為了深入了解西門塔爾牛和晉南牛肝中差異表達基因的生物學關系，研究人員將差異表達基因進行GO，KEGG富集分析。結果顯示，?GO生物學過程中顯著富集了23個terms，主要包括催化活性（GO：0043086），脂質生物合成過程（GO：0008610），膽固醇酯化調節(jié)（GO：0010872），?逆轉膽固醇轉運（GO：0043691）和脂蛋白脂肪酶活性的調節(jié)（GO：0051004）的負調節(jié)(P?<?0.05）。?共有4個KEGG通路被顯著富集（P?<0.05），主要包括造血細胞譜系（bta04640），細胞粘附分子（CAMs，bta04514），丙酮酸代謝（bta00620）和T細胞受體信號傳導通路（bta04660）（圖2）。
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圖2.兩種牛的差異表達基因GO富集中前20個顯著富集的terms和KEGG通路分析
5.蛋白質相互作用分析
為了解西門塔爾牛和晉南牛肝臟中DEGs的相互作用，研究人員利用Ingenuity?Pathway?Analysis（IPA）軟件進行了蛋白質?–?蛋白質互作網絡分析。共鑒定了9個網絡，?有趣的是，第二個網絡與脂質代謝，分子運輸和小分子生物化學相關，該網絡包括乙酰輔酶A羧化酶β（ACACB），載脂蛋白A1（APOA1），脂肪酸去飽和酶?2（FADS2）和其他脂代謝相關基因（圖3）。
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圖3.兩種牛中差異表達基因的蛋白-蛋白互作網絡圖
結論
綜上所述，該研究系統(tǒng)地比較了晉南牛和西門塔爾牛的肝臟轉錄組差異。?總共有124個被識別出來。?與這兩個品種的IMF沉積差異一致，這些DEGs在脂質生物合成和代謝相關的生物過程和途徑中富集。?與脂質代謝有關的相互作用網絡也被確定。?總的來說，該研究提供了與IMF沉積有關的潛在的候選基因和調控網絡，這對于產生更好的肉質的牛飼養(yǎng)是有用的。
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創(chuàng)新點
在前期的報告中有較強IMF沉積能力特征的牛轉錄組研究，但是并沒有兩種不同IMF水平的牛轉錄組學研究。該研究中，使用RNA-Seq方法來分析兩種不同IMF水平的牛肝臟轉錄組數據。鑒定了差異表達的基因和相互作用網絡，這一結果為牛的肌內脂肪酸組成研究奠定了基礎。此外，該研究鑒定的候選基因可能會對牛的分子育種有幫助。
參考文獻
Xi?W,?Zhang?Y,?Zhang?X,?et?al.?The?comprehensive?liver?transcriptome?of?two?cattle?breeds?with?different?intramuscular?fat?content[J].?Biochem?Biophys?Res?Commun,?2017:1018-1025.