Next generation sequencing in livestock species- A Review
رستم عبداللهی |
۰۹ شهریور ۱۳۹۸

I would like to thank Mohammad Ghaderzadeh for sharing with us the Persian translation of a review paper on “next generation sequencing in livestock Species” written by Sharm et al. (2017). In total, the paper is prepared in three sections: 1) An introduction to NGS. 2) Role of NGS in livestock diseases and other complex traits. 3) Role of NGS in animal breeding. The following is the copy of paper’s abstract:

“Technological advances in molecular biology during the last decade have opened up possibilities to rapidly and accurately generate large-scale sequencing data from non-model  organisms at an affordable cost. Next generation sequencing (NGS) had led us to a better understanding of genome organization, structure, function and evolution in livestock animals. NGS provides a high resolution view of the DNA/RNA sequence which is a distinct advantage over other methods. NGS is a first step toward understanding the genetic mechanisms of an animal’s functions and its interaction with the environment. It has been utilized widely now to study complex traits in different species. NGS is expected to bring down the overall cost of the animal production, increase the yield, improve the quality of meat and milk, provide better disease resistance and improve reproductive health of livestock. In this paper we review the applications of NGS in livestock animals.”

توالی­یابی نسل جدید، اصطلاحی است که بطور عمده بعد از توالی به روش سنگر و روش توالی­یابی ماکسیم گیلبرت توسعه یافته است. پس از تکنولوژی نسل جدید برخی متدهای جدیدتر که توانایی توالکی رشته هایی با طول بلند را دارند مانند آکسفورد نانوپور ایجاد شدند. در حال حاضر تکنولوژی NGS بطور غالب در انواع علوم زیستی مورد استفاده قرار می گیرد. توالی­یابی نسل آینده حجم عظیمی از داده­های ژنومی را تولید می­نماید که جهت آشکارسازی واریانت­های ژنتیکی تغییرات عملکردی بکار می­روند. چندشکلیهای تک نوکلئوتیدی فراوان­ترین نوع نشانگر­های مولکولی هستند، تراکم بالای این نشانگر­ها در ژنوم رسیدن به رویکردهای مختلف ژنتیکی را آسان می­سازد. این رویکردها شامل تجزیه و تحلیل مطالعات ارتباط ژنومی در مقیاس بزرگ، آنالیز ژنتیکی مراحل مختلف بیماری­ها، پیش بینی­های ژنومی و مطالعات ژنتیک جمعیت است. استفاده از NGS امکان شناسایی چندشکلی­های تک نوکلئوتیدی (SNPs)  را در سراسر ژنوم فراهم نموده و اجازه توسعه­ی تراشه­های ژنی را قبل از طراحی نهایی جهت بررسی ارتباط این اسنیپ­ها با فنوتیپهای مورد نظر ایجاد کرده است (Sharma et al., 2017).  

NGS منجر به ایجاد مجموعه­های متنوع و مختلف شده که به این مجموعه­ها اومیکس (Omics) اطلاق می شود مانند: ژنومیکس، ترانسکریپتومیکس و اپی ژنومیکس. چند نمونه از انواع مختلف NGS که با توجه به هدف پروژه­ها تعریف شده در شکل شماره یک نمایش داده شده است.

جدول زیر (جدول شماره ۱) که با توجه پایگاه اطلاعاتی (www.ncbi.nlm.nih.gov)  تهیه شده است تعداد آزمایشات انجام شده با تکنولوژی توالی یابی نسل جدید را در گونه­های مختلف حیوانی نشان می دهد (Sharma et al., 2017).

در هر حال تکنولوژی­های با توان عملیاتی بالا در حال حاضر جزئیات اثرات متقابل بین میزبان- پاتوژن در سطوح ژنومی آنها (ژنومیکس)، سطوح ترانسکریپتوم (ترانسکریپتومیکس) و یا سطوح پروتئومی (پروتئومیکس) آشکار ساخته است.

نقش NGS در بیماری­های دام و طیور و دیگر صفات پیچیده

توالی یابی نسل جدید گونه­های دام و طیور منجر به درک بهتر ژنوم، ترانسکریپتوم و اپی ژنومی آنها شده است. در میان گونه­های حیوانی، سگ اولین گونه­ی حیوانی است که اولین بار در سال ۲۰۰۵  توالی یابی شد. سگ هزاران سال است که در کنار انسان به عنوان گونه­ای حیوانی باوفا و اهلی بوده و دارای رفتارها، اندازه، رنگ و نژادهای مختلف می­باشدکه توسط بشر مورد انتخاب قرار گرفته است.

در این میان محققان با استفاده از NGS توانسته­اند که جهش­های مرتبط با بیماری Lundehund syndrome را شناسایی نمایند، برخی محققان با استفاده نقشه­یابی GWAS و با استفاده از توالی­یابی با کمک NGS موفق به شناسایی جهش­های مرتبط با بیماری چشم در سگ شدند ((Downs et al., 2014.

پس از سگ، به ترتیب مرغ (سال ۲۰۰۶)، اسب (سال ۲۰۰۷)، گاو، خوک و خرگوش (سال ۲۰۰۹)، گوسفند (سال ۲۰۱۲) و اردک (سال ۲۰۱۳) برای اولین بار توالی کل ژنوم آنها انجام شد.

 محققان با استفاده از توالی­یابی RNA-seq بافت­های مختلف اسب ۲۹۲ miRNAs  شناخته شده و ۳۲۹ miRNAs جدید در بافتهای ماهیچه اسکلتی، روده بزرگ و کبد شناسایی کردند که می تواند در درک مکانیسمهای درگیر در بیماریهای اسب موثر باشند (Kim et al., 2014).

NGS همچنین منجر به شناسایی تنوع تعداد کپی ژنوم (CNVs)  به منظور مطالعه ژنهای مرتبط با صفات پیچیده در دام و طیور شده است. در گاو هلشتاین با استفاده از توالی­یای کل ژنوم  ۱۴۸۲۱ CNVs و ۴۸۷ CNVRs متفاوت شناسایی شدند که منجر به شناسایی ۱۰ ژن متفاوت و کاندیدای موثر بر تولید پروتئین و چربی شیر شدند (Shin et. al, 2014).

تکنولوژی توالی یابی نسل جدید منجر به افزایش بهبود عملکرد تولید دامهای شیری و بهبود کیفیت گوشت نیز شده است. داده های حاصل از آزمایشات ترانسکریپتومیکس می­تواند عملکرد دامهای پر تولید و کم تولید را به آسانی مقایسه نموده و ژنهای با بیان متفاوت را در این حیوانات شناسایی نماید. همچنین مسیرهای متابولیکی درگیر در این فرآیندها شناسایی شده­اند. برخی محققان ژنهای مرتبط با تردی گوشت (ماربلینگ در گاو گوشتی) را شناسایی نمودند و میزان بیان ژنهای متفاوت موجود در عضلات گاوها را که دارای تفرق بیان ژن بودند شناسایی و بررسی نمودند (Chen et al., 2015).

 نقش توالی یابی نسل جدید در اصلاح نژاد دام

توالی­یابی نسل جدید موجب بررسی ارتباط هر چه بیشتر ژنتیکی و تنوع فنوتیپی گونه­ها با وضوح بیشتر شده است. بیشتر توالی­های کل ژنومی گونه ها و نژادهای مختلف در پایگاه­های داده موجود بوده و برخی پروژه­های جدید در حال انجام هستند. در مجموع این اطلاعات منجر به شناسایی نشانگرها در سراسر ژنوم می­شوند. در پنج سال اخیر شمار زیادی SNPs در گونه های متنوع مخصوصا در (گاو، خوک و گوسفند) با استفاده از مطالعات پویش ژنومی شناسایی شده­اند.

همانگونه که در شکل شماره مشاهده می شود در انتخاب ژنومی در دام و طیور که با استفاده از تکنولوژی NGS انجام می شود. یک جمعیت مرجع وجود دارد که داده­های ژنوتیپ (تعیین ژنوتیپ حیوانات) با کمک تکنولوژی NGS انجام شده و رکوردهای فنوتیپی حیوانات نیز با استفاده از رکوردبرداری مزرعه ای از حیوانات انجام شده است. سپس ارزش­های اصلاحی ژنومی برای حیوانات گروه کاندیدا محاسبه شده با استفاده از معادلات موجود و پیش بینی ها و در نهایت بهترین حیوانات برای اصلاح نژاد انتخاب می­شوند. مطالعات GWAS می­تواند با استفاده از رویکردهای آماری و آشکارسازی ارتباط بین مهمترین صفات اقتصادی و نشانگرهای SNPs منجر به توسعه تراشه­ها جهت انتخاب ژنومی شوند (Sharma et al., 2017).

 تابحال انتخاب ژنومی وابسته به تراشه­های مبتنی بر SNP بود. استفاده از داده­های حاصل از NGS منجر به نتایج بهتر در انتخاب ژنومی می­شود (شکل۲). استفاده از NGS به علت افزایش اندازه موثر جمعیت و افزایش اندازه جمعیت مرجع منجر به بهبود نتایج حاصل از انتخاب ژنومی می شود (Druet et al., 2014). چنانچه همه اسنیپها با ژن­های سببی در معادله مدل مرتبط وارد گردند منجر به افزایش صحت پیش بینی می گردد. Perez-Enciso et al. (2015)  دریافتند زمانیکه اسنیپها و ژنهای سببی مرتبط با هم در معادله پیش بینی وارد می­شوند صحت حدود ۴۰ درصد افزایش می­یابد.

نتیجه گیری کلی

توسعه تکنولوژی های توالی یابی فرصتهای بسیاری خوبی را در اختیار محققان قرار می­دهد تا بتوانند درک بهتری از صفات پیچیده داشته باشند و از این اطلاعات بطور کاربردی در برنامه اصلاح نژاد دام و طیور استفاده کنند. تکنولوژی NGS برای اهدافی مانند شناسایی تنوع بین نژادها، شناسایی نشانه­های انتخاب، جهشهای سببی و… بکار رفته است. تا این اواخر برنامه­های اصلاح نژادی عمدتا بر اساس انتخاب به کمک نشانگر (MAS) بوده­اند. استفاده از نتایج NGS در برنامه­های اصلاح نژاد دام در آینده معلوم خواهد شد.

جهت کسب اطلاعات بیشتر به مقالات زیر مراجعه فرمایید:

منابع مورد استفاده

Sharma A, Park J, Chai H, Jang G, Lee S and Lim D .(2017). Next generation sequencing in livestock species- A Review. Journal of Animal Breeding and Genomics. ep, 1(1): 23-30

Downs LM, Mellersh CS (2014) An intronic SINE insertion in FAM161A that causes exon-skipping is associated with progressive retinal atrophy in tibetan spaniels and tibetan terriers. PLoS ONE 9: e93990.

 

Kim MC, Lee SW, Ryu DY, Cui FJ, Bhak J, Kim Y (2014) Identification and Characterization of MicroRNAs in Normal Equine Tissues by Next Generation Sequencing. Ray RB, editor. PLoS ONE 9: e93662.

 

Shin DH, Lee HJ, Cho S, Kim H, Hwang J, Lee CK, Jeong JY, Yoon DH, Kim HB (2014) Deleted copy number variation of Hanwoo and Holstein using next generation sequencing at the population level. BMC Genomics 15: 240.

 

Chen D, Li W, Du M, Wu M, Cao B (2014) Sequencing and Characterization of Divergent Marbling Levels in the Beef Cattle (Longissimus dorsi Muscle) Transcriptome. Asian-Australasian J Animal Sciences 28: 158-65.

 

Pérez-Enciso M, Rincón JC, Legarra A (2015) Sequence- vs. chip-assisted genomic selection: accurate biological information is advised. Genetics Selection Evolution 47.

 
avatar