Document Type : Hematology and Clinical Pathology
Authors
1 Department of Animal Sciences, Faculty of Agriculture and Environmental Sciences, University of Arak, Markazi, Iran
2 Department of Animal and Poultry Sciences, College of Aburaihan, University of Tehran, Tehran, Iran
3 Department of Animal Sciences, Faculty of Agriculture, University of Ilam, Ilam, Iran
Abstract
Keywords
تغییر پارامترهای خونی در تشخیص بیماریهای مختلف باکتریایی و انگلی بسیار با اهمیت میباشد، بهطوریکه ارزیابی پارامترهای خونی حیوانات به تأیید کلینیکی دامپزشکان در دام و آبزیان کمک میکند (3-1). پارامترهای خونی اندازهگیری شده شامل شمارش گلبولهای قرمز، میزان هموگلوبین، هماتوکریت، حجم متوسط گلبول قرمز، میانگین غلظت هموگلوبین و توزیع دامنه حجم گلبولهای قرمز میباشند (4).
سنجش شمارش گلبولهای قرمز خون پارامتر مهمی به عنوان یک صفت شاخص در تعیین کمخونی و سندرم متابولیکی است (6-5). صفت هماتوکریت، درصد گلبولهای قرمز فشرده شده خون میباشد. کمخونی را میتوان از نظر کارکردی به صورت کاهش ظرفیت حمل اکسیژن خون تعریف کرد. دقیقترین و آسانترین علامت آزمایشگاهی کمخونی، کاهش هماتوکریت تا میزان کمتر از دامنه نوسان طبیعی هماتوکریت در هر گونه دامی است. سنجش میزان هموگلوبین کاربردیترین راه برای بیان ظرفیت جابجایی اکسیژن خون است. همچنین سنجش هموگلوبین برای تعیین حجم متوسط گلبول قرمز و میانگین غلظت هموگلوبین ضروری میباشد. افزایش حجم متوسط گلبول قرمز ممکن است نشانه افزایش رتیکولوسیتهای خون باشد (7).
هدف از مطالعات پویش ژنومی (GWAS) که با شناسایی ارتباط بین نشانگرهای SNP و صفت مورد مطالعه با استفاده از نشانگرهای با تراکم بالا در سطح ژنوم همراه است، پیدا کردن جهشهای مؤثر یا مسببی میباشد که بر فنوتیپ صفت مورد نظر اثر میگذراند. این اطلاعات میتواند برای انتخاب به کمک نشانگر مفید بوده و به درک مکانیسم مولکولی صفات مورد مطالعه کمک نمایند (8). یکی از عیوب مطالعات GWAS در نظر گرفتن آستانه معنیداری محافظه کارانه برای جلوگیری از اشتباه کاذب است، در حالیکه پرهیز از اشتباه نوع اول باعث افزایش خطای نوع دوم میگردد. لذا برای حل این مشکل، یکی از راه حلها استفاده از آنالیزهای غنیسازی مجموعههای ژنی میباشد. در واقع در این روش به جای انجام تجزیه برای یک SNP یا یک ژن، ارتباط بین صفت مورد مطالعه و واریانتهای ژنتیکی را در یک دسته یا گروه ژنی که به طور عملکردی با هم مرتبط هستند بررسی میکند. به عبارتی دیگر آنالیز پیوستگی بین یک مجموعه ژنی معنیدار زیستی با فنوتیپ مورد آزمون قرار میگیرد. در حقیقت در این روش به دنبال ژنهایی هستیم که به تنهایی اثر آنها بر صفت مورد نظر معنیدار نشده، ولی اثر تجمعی آنها روی صفت دارای اثر معنیدار است (9).
دادههای مورد استفاده در مطالعه حاضر، در مطالعه قبلی برای صفات هماتولوژی در گوسفند نژاد آلپاین مرینو مورد آنالیز قرار گرفتند که در آن مطالعه از مدلهای خطی مختلط تک نشانگری و از تصحیح بنفرونی برای تعیین آستانه معنیداری و جلوگیری از خطای نوع اول استفاده شده است (4). برای اولین بار Peñagaricano و همکاران در سال 2013 نشان دادند که تجزیه و تحلیل پویش ژنومی بر مبنای مسیر دقت شناسایی مناطق ژنومی مؤثر بر صفت نرخ باروری گاوهای نر را بالا برده است، زیرا با استفاده از این روش تمام نشانگرهای معنیدار در سطح 05/0 آنالیز میشوند و در نتیجه میزان خطای نوع اول و بیش برآوردها کاهش پیدا میکند.
اخیراً مطالعه پویش ژنومی بر مبنای مسیر با استفاده از آنالیز غنیسازی مجموعههای ژنی روی صفت تولید مثلی تعداد نتایج در نژادهای مختلف گوسفند انجام شده است. نتایج بهدست آمده از آنالیز مسیر، منجر به شناسایی 30 طبقه مختلف عملکردی هستیشناسی ژن و مسیرهای زیستی KEGG معنیدار مرتبط شامل TGF-β signaling pathway، Oxytocin signaling pathway، Estrogen signaling pathway، Prolactin signaling pathway و Insulin signaling pathway و ژنهای کاندیدای BMP5، DHCR24، BMPR1B، ESR1، ESR2، PLCB1، SMAD2، INSR، PTGS2، BMP7، EGFR و KCNMA1 شده بود (10).
هدف از انجام مطالعه حاضر، تجزیه و تحلیل مجموعههای ژنی و مسیرهای زیستی مرتبط با صفات هماتولوژی در گوسفند با استفاه از تراشههای 630K و براساس پویش کل ژنوم بر مبنای مسیر میباشد. شناسایی این جایگاهها از دیدگاه علمی و اقتصادی میتواند دارای اهمیت زیادی باشد.
در مطالعه حاضر از 498 نمونه خون گوسفندان نر نژاد آلپاین مرینو از گله تحت رکورد برداری مرکز اصلاح نژاد Huangcheng استفاده شد. صفات مورد مطالعه شامل شمارش گلبولهای قرمز خون، میزان هموگلوبین، هماتوکریت، حجم متوسط گلبول قرمز، میانگین غلظت هموگلوبین و توزیع دامنه حجم گلبولهای قرمز بودند، آمار توصیفی صفات مورد بررسی در جدول 1 ارائه شده است.
پس از اطمینان از کمیت و کیفیت بالای DNA استخراج شده، نمونهها با استفاده از آرایههای شرکت افیمتریکس با آرایههای 630K تعیین ژنوتیپ شدند. جهت اطمینان از کیفیت دادههای تعیین ژنوتیپ مراحل مختلف کنترل کیفیت روی دادههای اولیه تعیین ژنوتیپ شده انجام شد.
برای فیلتراسیون دادههای تعیین ژنوتیپ شده، ابتدا نمونههایی که فراوانی نرخ تعیین ژنوتیپ آنها کمتر از 95 درصد بود، شناسایی و حذف شد. در مرحله بعد نشانگرهایی که حداقل فراوانی آللی در آنها کمتر از 1 درصد بود حذف شدند. سپس نشانگرهایی که نرخ تعیین ژنوتیپ آنها در نمونهها کمتر از 90 درصد بود شناسایی و حذف شدند. مراحل مختلف فیلتراسیون با استفاده از نرم افزار PLINK (نسخه 9/1) انجام شد (11). در نهایت، 439398 نشانگر و 498 نمونه توانستند مراحل مختلف کنترل کیفیت را بگذرانند.
جهت ارتباط فنوتیپها با ژنوتیپها از نرم افزار TASSEL استفاده شد. مدل مورد استفاده بر پایه مدل خطی مختلط تک صفته به شکل زیر بود:
در مدل فوق y بردار مشاهدات فنوتیپی، X و Z ماتریسهایی هستند که مشاهدات را به ترتیب به اثر ثابت نشانگر SNP و اثر تصادفی ژنتیکی ربط میدهند. بردارهای b، u و e به ترتیب در برگیرنده اثر نشانگر SNP، اثر پلیژنیک و اثر تصادفی باقیمانده هستند.
اساساً آنالیز پویش ژنومی بر پایه تجزیه و تحلیل مجموعههای ژنی در سه مرحله انجام گردید: 1) تعیین مکان SNPهای معنیدار که مقدار P آنها کمتر از 05/0 بود با استفاده از بسته نرم افزاری biomaRt2 (12) در محیط R و با استفاده از ژنوم مرجع گوسفند نسخه (Oar_3.1) به ژنهایی که نشانگر SNP مورد نظر در داخل آن ژن و یا kb 15 بالادست یا پایین دست آن ژن قرار داشت، ارتباط داده شدند (13). 2) ارتباط ژنها به طبقات عملکردی و مسیرهای بیوشیمیایی از پایگاههای اطلاعاتی شامل هستیشناسی ژن (http://www.geneontology.org/GO, )، مسیرهای بیوشیمیایی (http://www.genome.jp/kegg/KEGG, )، Panther (http://www.pantherdb.org)، Metacyc (http://www.metacyc.org) و Reactome (http://www.reactome.org) (14). 3) پویش کل ژنومی بر پایه آنالیز مسیر با استفاده از توزیع فوق هندسی و آماره Fisher’s exact test مورد آزمون قرار گرفت. تجزیه و تحلیل غنیسازی مجموعههای ژنی با استفاده از بسته نرم افزاری goseq (15) در محیط نرم افزار R انجام گردید. برای تفسیر بهتر عملکرد ژنهای به دست آمده از پایگاههای اطلاعاتی آنلاین GeneCards (http://www.genecards.org) و UniProtKB (http://www.uniprot.org) استفاده شد.
نتایج حاصل از پویش کل ژنومی برای شش صفت مورد مطالعه در تصویر 1 نشان داده شده است. تعداد مجموعههای ژنی حاصل از پایگاههای دادهای مختلف شامل 248 طبقات هستی شناسی (فرایند زیستی، عملکرد مولکولی و اجزای سلولی) و 36 مسیر بیوشیمیایی KEGG بود. همانطور که در جداول 2 و 3 مشاهده میشود، طبقات عملکردی در هستی شناسی فرایندهای زیستی، عملکرد مولکولی، اجزای سلولی و مسیرهای KEGG با صفات مرتبط با هماتولوژی دارای ارتباط هستند (05/0˂P). مسیرهای بیوشیمیایی که شامل بیش از 3 ژن و کمتر از 500 ژن داشتند گزارش شدهاند.
براساس تحلیل هستی شناسی ژن (GO)، فرآیندهای زیستی مختلفی برای ژنهای مؤثر بر صفات هماتولوژی مشاهده شد که مطابق با نتایج به دست آمده از مطالعات پیشین بود (3،16). جزئیات کامل ترمهای هستیشناسی معنیدار به همراه اسامی ژنهای کاندیدا در جدول 2 ارائه شده است. همچنین مسیرهای زیستی مرتبط با صفات هماتولوژی با استفاده از پایگاه داده KEGG مورد بررسی قرار گرفته شد که با نتایج برخی از مطالعات قبلی مرتبط با صفات هماتولوژی مطابقت داشت (17).
نتایج حاصل از مطالعه حاضر نشان داد که ژن TRPC4 با سطح معنیداری 031/0 با فرآیند regulation of reactive oxygen species metabolic process، ژن SPTA1 با سطح معنیداری 043/0 با فرآیند regulation of blood circulation و ژن TMCC2 در فرایند زیستی positive regulation of cell development که مرتبط با شمارش گلبولهای قرمز خون بودند، شناسایی شدند. برخی از ژنهای این فرآیند زیستی در مطالعات مختلف بررسی ژنهای کاندیدای مرتبط با صفات هماتولوژی به خصوص شمارش گلبولهای قرمز خون در ارتباط میباشند.
مطالعه پویش کل ژنومی با هدف بررسی معماری ژنتیکی مقاومت به بیماری براساس صفات هماتولوژی گونه خوک، ژن SPTA1 در ارتباط با صفت شمارش گلبولهای قرمز خون گزارش شد. ژن SPTA1 نقش کلیدی در تولید پروتئینهای مرتبط با غشای گلبولهای قرمز خون داشت (18). همچنین در مطالعه پویش کل ژنومی جمعیت خوکهای نژاد Duroc×Erhualian، مرتبط با شمارش گلبولهای قرمز، ژن کاندیدای TMCC2 شناسایی شد. ژن TMCC2 نقش کلیدی در حجم گلبولهای قرمز خون و اندازهگیری آنمی داشت (6). مطالعه اخیر پویش ژنومی در گوسفندان بومی مدیترانهای نشان داد، ژن کاندیدای TRPC4 نقش کلیدی در ارتباط با آداپتاسیون دارد. ژن TRPC4 نقش مهمی در تنظیم سیستم عصبی شامل فرآیندهای مرتبط با دوپامین دارد (19).
ژنهای KRT26 و GPLD1 با سطح معنیداری 028/0 با فرآیند response to oxygen-containing compound و ژن EPAS1 با سطح معنیداری 012/0 با فرآیند blood vessel development مرتبط با صفت میزان هموگلوبین مشاهده شد. GPLD1 و EPAS1 دو ژن مهم دیگر مرتبط با صفات هماتولوژی میباشند که تأثیر این دو ژن در صفت هموگلوبین در مطالعات اخیر مشاهده شد.
مطالعه پویش کل ژنومی در گونه یاک (yak) با هدف شناسایی مناطق ژنومی مرتبط با صفات هماتولوژی، ژن GPLD1 با صفات هموگلوبین و شمارش گلبولهای قرمز گزارش شده است (3). ژن GPLD1 در ارتباط با عملکرد ایمنی در سلولهای خونی مرتبط میباشد. علاوه براین مطالعه ژنومی با هدف شناسایی نشانههای انتخاب در شش نژاد گاوهای آفریقای جنوبی، ژن کاندیدای KRT26 در ارتباط با آداپتاسیون به شرایط آب و هوایی گرم و خشک گزارش شده است (20).
مطالعه پویش ژنومی در گونه گاو در ارتباط با شناسایی مناطق ژنومی مرتبط با آداپتاسیون در ارتفاع بالا، ژن کاندیدای EPAS1 گزارش شده است. ژن EPAS1 همچنین به نام ژنی HIF2a شناخته میشود که جزئی از خانواده HIF بوده که مسئول دسترسی به اکسیژن در پاسخ سلولی به شرایط محیطی در ارتفاع بالا میباشد (21).
فرایندهای زیستی معنیدار مشاهده شده مرتبط با صفت درصد هماتوکریت، شامل ژنهای RAC2 و HSPD1 با سطح معنیداری 015/0 با فرایند regulation of response to stimulus و ژن PDGFRA با سطح معنیداری 028/0 با فرایند regulation of blood pressure مشاهده شدند. RAC2 و HSPD1 دو ژن مهم در ارتباط با صفات هماتولوژی میباشند و میتوانند بر صفت درصد هماتوکریت نیز تأثیر گذار باشند.
مطالعه پویش کل ژنومی با هدف شناسایی مناطق ژنومی مرتبط با مقاومت به پارازیتهای معدهای-رودهای در گوسفندان نژاد Santa Inês، ژن کاندیدای RAC2 در ارتباط با صفات هماتولوژی درصد هماتوکریت و میزان هموگلوبین شناسایی گردید. ژن RAC2 جزء ژنهای پاسخ ایمنی مقاومت به پارازیتها میباشد (22). همچنین در مطالعه پویش کل ژنومی با هدف شناسایی ژنهای کلیدی مرتبط با استرس دمایی در گاوهای شیری هلشتاین، ژن کاندیدای HSPD1 شناسایی گردید که نقش مهمی در ایمنی ذاتی داشت (23). اخیراً مطالعه پویش ژنومی با 15 نژاد بومی کشور روسیه با هدف شناسایی مناطق ژنومی مرتبط با تطابق پذیری انجام شده است، ژن کاندیدای PDGFRA مرتبط با استرس دمایی در شرایط سرما گزارش شده است (24).
فرایندهای زیستی مشاهده شده با صفات حجم متوسط گلبول قرمز خون و میانگین غلظت هموگلوبین، ژنهای BBS1 و STXBP5 با سطح معنیداری 025/0 با فرایند blood vessel endothelial cell migration، ژن HAG1 با سطح معنیداری 015/0 با فرایند positive regulation of lymphocyte activation و ژن PIK3R3 با سطح معنیداری 022/0 با فرایندPositive regulation of apoptotic process بود.
در مطالعه ژنومی با هدف شناسایی نشانههای انتخاب در گوسفندان نژاد تبتی، مناطق ژنومی مرتبط با آداپتاسیون در ارتفاع بالا گزارش شده است که شامل ژن کاندیدای HAG1 در ارتباط با صفات هماتولوژی شامل حجم متوسط گلبول قرمز خون و میانگین غلظت هموگلوبین میباشد (25). همچنین مطالعه پویش کل ژنومی در جمعیت نژادهای خوک در ارتباط با صفات هماتولوژی، ژن کاندیدای BBS1 در ارتباط با صفت حجم متوسط گلبول قرمز خون گزارش شده است (16). اخیراً در مطالعه پویش کل ژنومی گونه خوک، با هدف شناسایی مناطق ژنومی مرتبط با صفات سلامتی، ژن کاندیدای PIK3R3 در ارتباط با صفات هماتولوژی حجم متوسط گلبول قرمز خون و میانگین غلظت هموگلوبین گزارش شده است (26).
جزئیات کامل مسیر زیستی KEGG به همراه اسامی ژنهای کاندیدا در جدول 3 ارائه شده است. با بررسی نتایج حاصل شده مشاهده شد که ژنهای FCER1G و PLCB2 با سطح معنیداری 028/0 با مسیر زیستی Platelet activation در ارتباط با صفات میزان هموگلوبین، درصد هماتوکریت و میانگین غلظت هموگلوبین خون مرتبط بود (تصویر 2).
در مطالعه ژنومی بر پایه آنالیز مقایسهای فایل ترانسکریپتوم بافت طحال گوسفندان نژاد سافوک و قزاق با هدف شناسایی تفرق معنیدار بیان ژنهای صفات مرتبط با آداپتاسیون، ژن FCER1G گزارش شد که با سیستم ایمنی ارتباط داشت (17). همچنین ژن کاندیدای در مطالعهای در گاوهای شیری، با بررسی پروفایل RNA-Seq در غدد پستانی آلوده به باکتری استافیلوکوکوس آرئوس، تفرق معنیدار بیان ژن PLCB2 گزارش شده است (27). ژن PLCB2 از خانواده ژنی PLCB بوده و نقش کلیدی در تفرق و تولید گلبولهای قرمز خون و تنظیم عملکرد ماکروفاژها دارند. در مطالعه قبلی آنالیز پویش ژنومی نژاد آلپاین مرینوس، ژن PLCB1 به عنوان ژن کاندیدای مرتبط با صفت میانگین غلظت هموگلوبین خون شناسایی شده بود (4).
بررسی مناطق ژنومی به دست آمده با استفاده از پایگاه داده BioMart، GeneCards و UniProtKB نشان داد که بیشتر این مناطق شناسایی شده روی کروموزومهای مختلف با صفات هماتولوژی در گونههای مختلف مرتبط میباشند. با توجه به عملکرد بیولوژیکی مسیرهای شناسایی شده در مطالعه حاضر، به نظر میرسد این ژنها در بروز فنوتیپی صفات مرتبط با هماتولوژی نقش ایفا میکنند، در نتیجه میتوان کارآیی روش تجزیه و تحلیل غنیسازی مجموعههای ژنی برای پویش ژنومی صفات مهم اقتصادی را نیز مورد تأیید قرار داد. همچنین با بررسی چند شکلی موجود در ژنهای کاندیدای شناسایی شده از تجزیه و تحلیل غنیسازی مجموعه ژنی مرتبط با پارامترهای هماتولوژی از طریق مطالعات آزمایشگاهی در نژادهای گوسفندان بومی و نتایج بهدست آمده را برای مطالعات اصلاحی به کار برد.
نویسندگان مقاله از دکتر یانگ و همکاران در گروه علوم دامی آکادمی علوم کشاورزی چین به خاطر فراهم نمودن اطلاعات مورد نیاز مطالعه حاضر صمیمانه تقدیر و تشکر مینمایند.
بین نویسندگان تعارض در منافع گزارش نشده است.