整合eGWAS和eQTL分析绵羊全血转录组与繁殖激素的关联

【摘要】：血液中繁殖激素的动态变化对于评估家畜繁殖性能具有重要意义,血液转录组不仅用来鉴定多个物种的免疫相关调控因子,近年来在家畜生产管理中的应用也逐渐开展。为解析绵羊全血转录组的动态时序表达与繁殖激素调控的关联,本研究以巴美肉羊为研究对象,对血液转录组及其表达基因型进行深入挖掘,将有助于提升血液应用于家畜繁殖性能辅助管理的新认识。本研究获得的主要研究结果如下:1、对绵羊血液转录组的时序动态表达进行研究,检测3、4和5月的不同经产羔类型绵羊的血液转录组,对基因表达与可变剪接进行组间差异分析初探。结果不同经产羔类型之间共检测到1417个差异表达基因,3332个差异可变剪接基因,相比无羔组,单羔组与双羔组基因表达模式更接近。差异表达基因与差异可变剪接共同功能富集结果说明血液表征产羔类型与卵母细胞减数分裂、激素调节和免疫应答等相关。不同月份之间共鉴定到660个差异表达基因,3135个差异可变剪接基因,动态时序表达的基因在功能层面直接或者间接影响激素水平,由此推断绵羊血液时序表达基因可能与激素紧密相关。2、在研究一差异基因分析的基础上,扩大到237个样本,构建加权基因共表达网络(weighted gene co-expression network analysis,WGCNA),并结合表达全基因组关联分析(expression genome-wide association study,e GWAS)重点研究促卵泡素(follicle-stimulaing hormone,FSH)、促黄体素(luteinizing hormone,LH)、生长分化因子9(growth differentiation factor 9,GDF9)和骨形态发生蛋白15(bone morphogenetic protein 15,BMP15)血清浓度与基因动态表达、变异的关联。结果产羔类型差异表达基因分布在红色和紫色基因模块中较多,且全局网络中红色和紫色基因模块与产羔数关联度较高。通过e GWAS发现模块的显著关联基因主要位于X染色体,包括COIL、NELFE和GCLM等,参与调控卵母细胞成熟、颗粒细胞毛细血管再生、季节性繁殖和免疫应答等。时序差异表达基因主要分布在黄色和蓝色基因模块中,且在全局网络中黄色、蓝色基因模块与激素关联度较高。e GWAS显著关联基因包括CASP9和SRP68基因等,功能富集到催产素信号通路,均影响激素调控过程。最后使用机器学习和先验的绵羊GWAS数据库的方法对样品分组与全局网络模块的功能进行验证补充,证明了小样本差异表达基因在大样本分析中的支持度与可行性。总之,通过表达基因组层面解析了绵羊繁殖激素的关联网络,为繁殖激素时序生理状态的基因表达与变异体之间提供互补信息。3、为进一步挖掘高繁绵羊血清LH/FSH比值调控的深层机制。发现不同LH/FSH比值的差异表达基因在50～150之间。这些基因影响核糖体、催乳激素信号通路、促性腺激素信号通路、卵巢类固醇生成、催产素信号通路和花生四烯酸代谢等与激素调控相关的通路。共鉴定了涉及黄色与蓝色基因模块的1 823个显著关联与1 433个e QTL-SNP,且不均一的分布在各染色体,e QTL-SNP共影响到690个基因。鉴定到26 445个ASE-SNP,影响了4 970个基因,均一分布在各染色体,可见LH/FSH比值与绵羊血液基因表达关联过程中受到广泛的顺式调控作用。结果共筛选出8个候选标记物:PCNX4、FAS、RPL36AL、JCHAIN、LOC101113346、IQSEC1、RPL21和RPL8,大多数的表达基因型特征显现出等位基因不平衡现象,且受到至少一个e QTL-SNP与两个ASE-SNP的影响。4、为了挖掘高繁绵羊GDF9和BMP15影响的深层机制。我们分别对不同GDF9和BMP15血清浓度下的转录组进行比较与关联研究。结果血清中BMP15和GDF9的浓度可能依赖于调节它们共享的差异表达基因RPL23A、LOC101110403、PAQR5、LOC114116858,LOC114114874和NAIP建立内分泌信号交换。其中RPL23A、PAQR5与NAIP直接或者间接地参与到卵母细胞发育和卵巢功能,证明了血液在识别激素影响下的主要基因及关联生物学过程方面的潜力。同时发现血液中广泛存在对GDF9、BMP15的ASE-SNP与e QTL-SNP的调控,共鉴定到502个ASE-SNP,包含58个同时与e QTL-SNP关联。共同调控GDF9与BMP15的e QTL-SNP与ASE-SNP表达的候选血液生物标志物JAK1,IL6R,ITGA4,GAA,PRKD3,CAMK2D,TAB2和IQGAP1的基因型存在明显的等位基因表达失衡现象。综上,本研究描绘了绵羊血液转录组与繁殖激素的网络全景,并对繁殖激素关联的调控元件进行深层探讨,证明了血液在识别激素影响下的主要基因及关联生物学过程方面的潜力,也为任何以血液为适合代理组织的复杂性状提供重要借鉴。