贵州地方猪种与其它猪种功能缺失相关基因的比较与分析

胡江 王嘉福 牛熙 李升 冉雪琴

摘要：地方猪种在长期的驯化和进化过程中，由于遗传变异导致其一些功能基因缺失，从而形成了地方猪种的差异性。本研究对重测序的54头地方猪种进行结构变异的检测，发现贵州地方猪种特有的结构变异基因有36个，这些基因对贵州地方猪种的生长、繁殖、消化、能量代谢等功能造成了一定的缺失;欧洲猪种特有的结构变异基因有10个，这些基因对欧洲猪种的能量代谢、免疫能力、肉质的嫩度等方面的功能造成缺失;中国地方猪种特有功能缺失的结构变异基因有14个，这些基因对中国地方猪种的味觉、免疫、生长发育等方面的功能造成缺失。通过上述研究为地方猪种的差异性基因挖掘与探讨提供了一定的理论基础。

关键词：地方猪种;结构变异;功能缺失;重测序

中图分类号：S828

文献标识码：A

文章编号：1008-0457（2019）06-00064-07国际DOI编码：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2019.06.012

Comparison of Releated Genes to Funtional Loss between Guizhou Local Pig Breeds and Other Pig Breeds

HU Jiang1，WANG Jia-fu1，3*，NIU Xi1，LI Sheng1，RAN Xue-qin2

（1College of Life Sciences and Institute of Agro-Bioengineering/ The Key Laboratory of Plant Resources Conservation and Germplasm Innovation in Mountainous Region （ Ministry of Education），Guizhou University，Guiyang，Guizhou 550025，China;2College of Animal Science，Guizhou University，Guiyang Guizhou 550025，China;3Tongren University，Tongren Guizhou 554300，China）

Abstract：：In the process of long-term training and evolution of local pig breeds，because of genetic variation some functions lost were resulted in certain genes，thus forming local difference in pig breedsIn this study，54 species of re-sequencing were tested for structural variationThe results showed that 36 unique structural variant genes in Guizhou local pig breeds were found，which cause the function loss of growth，reproduction，digestion and energy metabolismWhile in European pig breeds，10 unique structural variant genes were identified，which lack the functions of energy metabolism，immunity，and tenderness; However，there are 14 variant genes，which are deficient in the functions of taste，immunity，growth and development of Chinese local pig breedsIn short，the results provides a certain theoretical basis for excavating and discussing the differential genes of local pig breeds

Key words：local pig breeds; structural variation; loss of function; resequencing

猪是大约10000年前在近东和中国地区被人类最早驯化的动物之一[1]，猪是一种十分重要的经济动物，在消化系统、免疫系统、心臟、肾脏、等组织结构上与人都非常相似[2]，我国在猪的生产养殖和猪肉消耗量上占据了全世界的一半[3]，我国在养殖猪这一产业上占据了举足轻重的地位[4]，猪养殖业的发展与人类的生活质量密切相关[5]，因此，猪种的品质、肉质、繁殖、疾病等方面的特质表型成为了研究迫切解决的问题。到目前为止，不仅猪的参考基因组已被更新至111版本（Sscrofa111），而且猪基因组测序的质量和猪种注释的数据库都有很大的改进，这有利于从功能基因组学的层面对猪种进行研究，同时也为猪的分子育种奠定了基础[6]。

对物种来讲，结构变异（Structural variation，SV）会带来巨大的影响，例如：结构变异导致细胞癌变[7]，神经表达基因的变异导致精神分裂[8];但某些结构变异也会对物种适应新的环境产生有利影响[9]，结构变异的基因也可能是猪种进化产生的一个分支点，与猪的进化密切相关[10]。随着高通量测序技术的不断发展，当前已经在动物、植物上取得了重大进展。

功能缺失是指在染色体上的基因由于发生突变而导致碱基序列的改变，发生了功能的改变或者丧失，β-肌动蛋白基因（ACTB）的突变会导致人的智力障碍、皮质畸形、神经性耳聋[11]。骨髓免疫受体（TREM2）基因的变异会导致神经性疾病的产生，骨髓免疫受体如果缺失，导致其配体无法与之结合，从而导致阿茨海默症疾病的发生[12]。胰岛素样生长因子2（IGF2）基因发生突变之后对IGF2的剪接受体有较大的影响，导致其功能发生了丧失[13]。

本文利用第二代高通量测序技术对中国地方猪种、贵州地方猪种、欧洲猪种进行结构变异的检测，对地方猪种的功能缺失基因进行初步探究。地方猪种在长期的进化选择中，形成了十分丰富的遗传资源。产生了一些适应于地方猪种生存的优质基因，通过三个地方猪品种的比较，从基因组学的层面对贵州地方猪种进行探究，有利于对贵州地方猪种的优质特异基因进行挖掘与保护，使得贵州地方猪种的养殖产业得到全面的完善，提高经济效益。同时对分子水平上去研究贵州地方猪种的相关特异性提供一定的理论基础。

1材料与方法

11实验材料

对18头贵州地方猪种进行样品采集，采集的方法分为血液采集和耳组织采集，将采集的血液样品及耳组织样品冻存于-80℃的超低温冰箱中。18头贵州地方猪种采样信息如下表1。

12实验方法

121重测序数据的质控

为了从重测序的数据中得到高质量的读数，使用NGSQC Toolkit软件对重测序数据进行质控处理。

122序列比对

将从Ensembl数据库下载的猪参考基因组111版本，使用Burrows-Wheeler Aligner（BWA）软件将质控后的高质量序列与参考基因组比对。利用samtools软件进行格式转换并进行排序，得到BAM文件进行后续分析。

123结构变异的检测及合并

使用SoftSV、Pindel软件分别对18头贵州地方猪种（GZP）的结构变异进行检测，发现SoftSV检测出453682个结构变异位点;Pindel检测出400，779个结构变异位点。两个软件合并取交集得到190，411个结构变异位点。36头猪的重测序数据利用相同的方法进行结构变异检测。欧洲猪种（EUP）利用SoftSV、Pindel软件分别检测到了125，503和96，530个结构变异位点，合并取交集得到56，562个结构变异位点。中国地方猪种（NPOG）使用SoftSV、Pindel软件分别检测到125，503和96，530个结构变异位点，合并取交集得到163，876个结构变异位点[14]。

根据SVmerge软件的合并原理，将贵州地方猪种的数据、中国地方猪种、欧洲猪种的结构变异进行合并，获得结构变异39，166个。

124生物信息学分析

利用MG2C软件进行基因定位;使用GO和KEGG对其功能进行聚类和富集分析;利用基迪奥云平台制作韦恩图，探究各个地方猪种中特有的结构变异基因。

2结果与分析

21重測序数据

经过序列质控、比对、排序、变异位点的检测、注释一系列步骤之后，得到39166个结构变异位点。从39166个变异位点中分析出17063个结构变异发生在编码蛋白区域，进一步对17063个注释的结构变异位点进行分析，发现有基因名称的结构变异有14512个，分析发现，有176个结构变异位点在外显子区域发生了变异（图1）。

由于在外显子区域上发生的结构变异会对功能造成极大的影响，导致蛋白质结构发生改变，从而影响蛋白功能在物种中的表达。因此选择在外显子区域发生有结构变异的176个结构变异位点进行后续分析。

22染色体定位

对176个结构变异位点在染色体结构上进行定位（图2和图3），从图中可知：大多数的结构变异发生在染色体的两端;从结构变异的数量上来看，发生在染色体1号和染色体9号上的结构变异最多，在15号染色体和16号染色体上发生的结构变异基因最少。

从结构变异发生在染色体的位置来看，染色体末端可能是发生结构变异的高频区，这些发生结构变异的区域可能会对猪种的某些功能造成较大的影响。

23GO富集功能分析

对176个发生在外显子区域的结构变异位点进行基因本体（Gene Ontology，GO）的分析，结果如图4所示。

24KEGG通路分析

为了解这些基因在哪一些通路当中，故进行KEGG的功能分析，其结果如图5。

从KEGG的通路分析图中可以得出，KEGG通路主要分成Metabolism（代谢）、genetic information processing（遗传信息过程）、environmental information processing（环境过程）、cellular processes（细胞过程）、human diseases（人类疾病）5个部分，其中在carbohydrate metabolism（碳代谢）、singal transduction（信号传导）、infectious diseases（疾病）三个通路上的基因数量最多。

25地方猪种特有结构变异基因及功能

为了挖掘贵州地方猪种（GZP）、欧洲猪种（EUP）、中国地方猪种（NPOG）特有的结构变异基因，对176个结构变异位点作了韦恩图（图6）。

结果发现：贵州地方猪种特有的结构变异基因个数为36个;欧洲地方猪种特有的结构变异基因个数为10个;中国地方猪种特有的结构变异基因个数为14个;并通过GO和KEGG对其功能进行了解，结果如表3所示。

3结论与讨论

31贵州地方猪种功能缺失基因

贵州地方猪种特有的结构变异基因有36个，如：BMP5、OR3A1、MAN2B2、MTMR8、DYNC1T1、FTL、BOLL等结构变异基因。BMP5基因在TGF-beta signaling pathway（转化生长因子）通路中，其基因的功能是对骨骼的发育生长相关;MAN2B2基因在Other glycan degradation（聚糖降解）通路中，名称为α甘露糖苷酶，与猪的繁殖功能相关[15];FTL基因在Mineral absorption（矿物质吸收）通路中，其基因功能与猪种消化系统中对矿物质的吸收相关;DYNC1I1结构变异基因在Vasopressin-regulated water reabsorption（血管加压素调节的水重吸收）通路中，其功能对猪的排泄系统有重要影响;MTMR8基因在Inositol phosphate metabolism（肌醇磷酸代谢）通路中，其基因功能与猪的能量代谢有关;OR3A1结构变异基因通过文献的查阅发现其基因功能与嗅觉受体的活性有关;BOLL结构变异基因与公猪的精子有关[16]。这些基因在贵州地方猪种中发生了结构变异，可能对贵州地方猪种的生长、繁殖、消化、能量代谢等功能造成了一定的缺失。

32欧洲猪种功能缺失基因

欧洲猪种特有的结构变异基因有10个，如ACTB、PRDX6、GANC、ABCA5等结构变异基因，ACTB结构变异基因在Leukocyte transendothelial migration（白细胞跨内皮迁移）、Arrhythmogenic right ventricular cardiomyopathy （心律失常性右心室心肌病，ARVC）、Thyroid hormone signaling pathway（甲状腺激素信号通路）、Salmonella infection（沙门氏菌感染）、Hypertrophic cardiomyopathy （肥厚型心肌病，HCM）、Proteoglycans in cancer（癌症中的蛋白多糖）等通路中都有涉及，其基因功能大多数都与疾病的形成有关，ACTB基因发生结构变异，会对猪的免疫系统造成影响。这些基因的变异对人造成了很严重的影响，但在猪种中并未具体体现，也表现出猪对这些疾病具有一定的耐受性。GANC结构变异基因在Starch and sucrose metabolism（淀粉和蔗糖代谢）通路中，其基因功能与能量代谢相关;ABCA5结构变异基因在ABC transporters（ABC转运器）通路中，其作用是对合成的ATP进行运输，与功能代谢相关;PRDX6基因的功能与猪肉质的嫩度有关;通过对欧洲猪种特异结构变异的基因进行分析，发现能量代谢、免疫能力、肉质的嫩度可能在欧洲猪种中发生了功能缺失。

33中国地方猪种功能缺失基因

中国地方猪种特有功能缺失的结构变异基因有14个。如RETSAT、PATJ、TAS2R40、IGSF5等结构变异基因，RETSAT结构变异基因在Retinol metabolism（视黄醇代谢）通路，其作用与维生素A的形成有关，其功能与猪的生长发育有关;PATJ结构变异基因在Hippo signaling pathway（河马信号）通路中，其功能与细胞的增殖、凋亡有关;IGSF5是免疫球蛋白超级家族中的一员，其功能与猪的免疫功能相关;TAS2R40（taste 2 receptor member 40）是味觉受体基因，其功能是与味觉的灵敏度有关。这些基因发生了结构变异可能对中国地方猪种的味觉、免疫、生长发育等功能造成一定的影响，该研究结果对地方猪种的分子选育奠定了一定的理论基础。

参考文献：

[1]Larson G，Dobney K，Albarella U，Fang M，Matisoo-Smith E，Robins J，Lowden S，Finlayson H，Brand T，Willerslev E，Rowley-Conwy P，Andersson L，Cooper AWorldwide phylogeography of wild boar reveals multiple centers of pig domestication[J]. Science，2005，307（5715）：1618-1621.

[2]于福清我國地方猪种资源最新状况与保护利用建议[J].中国猪业，2012，7（3）：21-23.

[3]王振华中国从养猪大国走向养猪强国的探索之路[J].养殖与饲料，2013，（7）：1-10.

[4]黄俐晔中国养猪业现状、问题与趋势[J].广东农业科学，2015，42（16）：175-179.

[5]倪冬娇，高增兵，金立志欧盟养猪业发展状况及对我国养猪业的启示[J].中国畜牧杂志，2006（02）：48-52.

[6]王嘉福，畜禽分子育种技术研究进展及趋势[J]. 山地农业生物学报，2015，34（3）：1-6.

[7]Liu W，Sun J，Li G，et alAssociation of a germ-line copy number variation at 2p243 and risk for aggressive prostate cancer[J].Cancer Research，2009，69（6）：2176-2179.

[8]Vacic V，McCarthy S，Malhotra D，et alCraig Duplications of the neuropeptide receptor gene VIPR2 confer significant risk for schizophrenia[J].Nature，2011，471（7339）：499-503.

[9]Iskow RC，Gokcumen O，Lee CExploring the role of copy number variants in human adaptation[J].Trends Genetics，2012，28（6）：245-257.

[10]Petrov DAMutational equilibrium model of genome size evolution[J]Theoretical Population Biology，2002，61：531-544.

[11]Cuvertino S，Stuart HM，Chandler KE，et alACTB Loss-of-Function Mutations Result in a Pleiotropic Developmental Disorder[J]The American Journalof Human Genetics， 2017，11（6）：1021-1033.

[12]Kober DL，Alexander-Brett JM，Karch CM，et alNeurodegenerative disease mutations in TREM2 reveal a functional surface and distinct loss-of-function mechanisms[J]elife，2016：5

[13]Mercader JM，Liao RG，Bell AD，Dymek Z，Estrada K，Tukiainen T，Huerta-Chagoya A，Moreno-Macías H，Jablonski KA，Hanson RL，Walford GA，Moran I，Chen L，Agarwala V，Ordoez-Sánchez MLA Loss-of-Function Splice Acceptor Variant in IGF2 Is Protective for Type 2 Diabetes[J]Diabetes，2017，17：187

[14]刘畅不同品种猪基因组结构变异的比较研究[D]贵阳：贵州大学，2018

[15]卢圣菲，香猪8号染色体繁殖相关QTL区域结构变异的研究[D]贵阳：贵州大学，2018

[16]李大鹏三个地方猪品种BOLL和STRA8基因结构变异位点的群体分布研究[J]中国畜牧兽医，2018，45（6）：1599-1607.