CC BY
66
HayKOBMM BiCHMK ^tBiBCtKoro Ha^OHa^tHoro yHiBepcMTeTy
BeTepMHapHoi Megw^HM Ta öioTexHO^oriw iMem C.3. I^M^Koro
Scientific Messenger of Lviv National University of Veterinary Medicine and Biotechnologies
ISSN 2519-2698 print ISSN 2518-1327 online
doi: 10.32718/nvlvet8912 http://nvlvet.com.ua/
UDC 575.113:599:636
Isoenzymes spectrum of genes expression of cattle in different directions of productivity
V.Y. Bodnaruk, A.J. Zhmur, L.I. Muzyka, Y.G. Kropyvka, P.V. Bodnar, J.V. Poslavska, T.V. Orihivsjkyj
Stepan Gzhytskyi National University of Veterinary Medicine and Biotechnologies Lviv, Ukraine
Article info
Received 07.09.2018 Received in revised form
09.10.2018 Accepted 10.10.2018
Stepan Gzhytskyi National University of Veterinary Medicine and Biotechnologies Lviv, Pekarska Str., 50, Lviv, 79010, Ukraine. Tel.: +38-032-239-26-82 E-mail: [email protected]
Bodnaruk, V.Y., Zhmur, A.J., Muzyka, L.I., Kropyvka, Y.G., Bodnar, P.V., Poslavska, J.V., & Orihivsjkyj, T.V. (2018). Isoenzymes spectrum of genes expression of cattle in different directions of productivity. Scientific Messenger of Lviv National University of Veterinary Medicine and Biotechnologies, 20(89), 67-70. doi: 10.32718/nvlvet8912
While studying the peculiarities of the species of genetic structure of cattle, depending on the direction of productivity, one can predict, that there may be certain mechanisms that have an intermediate role between the genetically determined polymorphism of biochemical markers and the variability of complexity of the signs of productivity. One of such mechanism may be the variability of the "biochemical phenotype" of different organs - a number of organ-specific isoenzymetric spectra of genetic-biochemical systems. In this regard, in this experiment organ-specific peculiarities of the isoenzyme spectrum of various enzymes in animals of dairy and meat production were considered. For this experiment, samples of meat, and then dairy animals in pairs were placed in the electrophoretic block in the following order: lungs, heart muscle, spleen, skeletal muscle and liver. The features of the organ-specific isoenzyme spectrum of the enzymes of the general intracellular metabolism are breed and species specific. Therefore, a comparative analysis of the organ-specific spectrum of isoenzymes of various genetic-biochemical systems in these studies was performed on a small number of animals (3-5 heads). The features of the isoenzyme spectrum were evaluated by genetically-determined polymorphisms of groups of genetic-biochemical systems. Experiments were carried out on samples of homogenates of organs obtained with the addition of trilon-B. Polymorphism of enzymes was evaluated using a method of electrophoretic protein separation in 13% starch gel in horizontal chambers with subsequent histochemical staining. These searches indicate the presence of pronounced organospecificity of the isoenzyme spectrum of purinucleoside phosphorylase, malate dehydrogenase, malic enzyme, and lactate dehydrogenase in cattle. The intraspecific differences of the organ-specific isoenzyme spectrum were revealed. It has been shown that the expression of the genetic and biochemical systems under investigation is significantly different in cattle of dairy and meat production lines in the cardiac and skeletal muscles. The "biochemical phenotype" of the heart muscle and skeletal muscle of dairy cattle is significantly different from the livestock of the meat production direction. Such studies may lead to the identification of characteristic genotypes in a complex of genetic-biochemical systems, which are closely related to the corresponding complex of economic benefits.
Key words: polymorphism, monomorphic systems, organ-specific isoenzyme spectrum, genetically determined polymorphism, biochemical markers, electrophoresis, gene expression.
XI и • •• • • •• •• ^
Хзоферментнии спектр експресп гешв оргашв велико1 рогато1 худоби р1зного напрямку продуктивност1
ВС. Боднарук, А.Й. Жмур, Л.1. Музика, Ю.Г. Кропивка, П.В. Боднар, Ю.В. Пославська, Т.В. Орiхiвський
Львiвський нацюнальний ^верситет ветеринарног медицини та бютехнологт iMem С.З. Гжицького, м. Львiв, 79010, Укра'ша
Вивчаючи породн особливостi генетичног структури великог рогатог худоби в залeжностi eid напрямку продyктивностi мо-жна передбачити, що можуть кнувати певж мехатзми, як1 мають промiжmy роль мiж генетично-детермтованим полiморфiз-мом бiохiмiчних маркeрiв та м^ивктю комплекЫв ознак продyктивностi. Одним з таких мeханiзмiв може бути мнивкть "бiохiмiчного фенотипу " рiзних оргашв - ряду органоспeцифiчних iзофeрмeнтних спeктрiв гeнeтико-бiохiмiчних систем. У зв 'язку
з цим у даному дослiдi були розглянутi органоспецифiчнi особливостi iзоферментного спектру рiзних ферментiв у тварин молочного та м 'ясного напрямку продуктивность Для проведення даного до^ду на електрофоретичному блощ попарно розмiщували проби м 'ясних, потм молочних тварин в такому порядку: легет, серцевий м 'яз, селезтка, скелетний м 'яз та печтка. Особливостi органоспецифiчного iзоферментного спектру ферментiв загального внутрШньоклШинного метаболгзму е породо- та видоспеци-фiчними. Тому, порiвняльний аналiз органоспецифiчного спектру iзоферментiв рiзних генетико-бiохiмiчних систем в даних досл> дженнях виконувався на невеликому поголiв 'г тварин (3-5 голiв). Особливостi iзоферментного спектру оцтювали за генетично-детермтованим полiморфiзмом груп генетико-бiохiмiчних систем. До^ди проводились на зразках гомогенатiв оргатв одержа-них з додаванням трилону-Б. Полiморфiзм ферментiв оцтювали, застосовуючи метод електрофоретичного роздшення бттв у 13% крохмальному гелi в горизонтальних камерах з подальшим гктох-Шчним фарбуванням. Дат до^дження свiдчать про наяв-тсть вираженог органоспецифiчностi iзоферментного спектру пуриннуклеозидфосфорилази, малатдегiдрогенази, малик-ензиму, та лактатдег1дрогенази у великог рогатог худоби. Виявлено внутрiшньовидовi вiдмiнностi органоспецифiчного iзоферментного спектру. Показано, що експреая до^джуваних генетико-бюхтачних систем суттево вiдрiзняеться у великог рогатог худоби молочного та м 'ясного напрямтв продуктивностi в серцевому та скелетному м 'язах. "БюхтЫний фенотип " серцевого м 'яза i скелетного м 'яза молочног худоби ктотно вiдрiзняються вiд худоби м 'ясного напрямку продуктивностi. Тат до^джень можуть призвести до виявлення характерних генотипiв за комплексом генетико-бiохiмiчних систем, як1 ткно пов'язаш з вiдповiдним комплексом господарськи корисних ознак.
Ключовi слова: полiморфiзм, мономорфш системи, органоспецифiчний гзоферментний спектр, генетично детермтований по-лiморфiзм, бюхтачш маркери, електрофорез, експреыя гена.
Вступ
Вивчення особливостей генетично! структури по-рщ велико! рогато! худоби р1зного напрямку продук-тивносп (Kopylov, 2010; Hlestkina, 2013; Dejkin et al., 2016; Bodnaruk et al., 2017; Suprovich and Mokhnachova, 2017; Bodnaruk et al., 2018), спонукало нас розглянути особливосл експресп гешв у р1зних органах Гзоферментний спектр). У питаннях вивчення особливостей генетично! диференщаци р1зних порщ худоби укра!нсько! селекци, поряд з традицш-ним пол1морф1змом бшшв та ферменпв все б1льшу роль вщграють молекулярно-генетичш методи дост-джень, як можуть принципово змшити пщходи до раннього прогнозування продуктивних якостей тварин (Dybus et al., 2005; Kurak et al., 2014). Найбшьш шформативними в цьому аспект! е ДНК-маркерш системи, засноваш на анал!з! пол!морф!зму структур-них гешв, яш беруть участь у формуванш та функцю-нуванш господарсько-корисних ознак (щ методи дос-лщжень е на сьогодш бшьш автоматизоваш у пор!в-нянш з бшками та ферментами). До одних !з найпо-ширен!ших потенц!йних ДНК-маркер!в ознак продук-тивност! велико! рогато! худоби належать гени: гормону росту (bGH), бета-лактоглобулшу (PLG), тире-оглобул1ну (TG5), калпа!ну (CAPN), капа-казе!ну (CSN3) (Suprovych and Kopylov, 2014). Ген CSN3 пов'язаний з вмютом б1лка в молоц1 та його техноло-г1чними властивостями (Suprovich and Mokhnachova, 2017). Р1зш алельн1 вар1анти гена PLG асоц1йован1 з високим вмютом у молощ окремих фракцш казе!но-вих i сироваткових б1лмв, в1дсотком жиру та позитивно впливають на молочну продуктивнiсть (Bovenhuis et al., 1992). За цим геном здшснюеться контроль якостi молочних продукпв i виявлення фальсифiкацi! молока. Доведено його роль у протимжробнш актив-ностi до збудник1в маститу (Suprovych and Kopylov, 2014). Ген TG5 кодуе попереднишв тирео!дних гор-монiв, як1 беруть участь в утворенш жирових кл1тин i формуванш мармуровосп м'яса. Ген CAPN бере участь в процеа протеол1зу при дозрiвaннi м'яса i спри-яе вищiй нiжностi м'яса. Ген bGH е важливим регулятором соматичного росту тварин i мае лактогенну та
жиромобшзацшну дiю (Eggena Fries, 1992; Babenko, 2015; Suprovich and Mokhnachova, 2017).
Експре^ генiв, як процес, при якому спадкова ш-формaцiя гешв (нуклеотидна послiдовнiсть) викорис-товуеться для синтезу функцюнального продукту (бiлкa або РНК), активно регулюеться, змiнюючи час та кшьшсть синтезованого генетичного продукту. Експреая генiв забезпечуе пщтримання структури та функцп клiтини, що е основою для диференщаци клггин, морфогенезу, а також ушверсально! адаптова-носп будь-якого оргaнiзму до умов юнування.
Вивчення експресп гена в бшыпосл проводять у кровi певних видiв та порiд тварин так як це проспше для виконання (не потрiбно вбивати тварину), але ця картина не завжди вiдповiдaе особливостям прояв-лення гену в рiзних органах. Так, наприклад, креатин-шназа, яка використовуеться у ветеринaрi!' для досль дження хвороб, пов'язаних з печшкою, так як даний фермент працюе в цьому циклi загального метaболiз-му. В кровi тварини цей фермент е мономорфний (проявляеться пльки одна форма), тодi як у печшщ велико! рогато! худоби вш може мати чотири iзофор-ми. Тому, при розглядi певно! проблеми, пов'язано! з печiнкою, потрiбно прив'язуватись до певного алелю iзоформи, а не говорити про загальну креaтин-кiнaзу (приклади тaкi iснують) (Taker, 1975; Zhivotovskij, 1979).
Метою наших дослщжень було вивчення зв'язку мiж особливостями iзоферментного спектру внутрш-нiх оргашв, продуктивними якостями та мiжпород-ною мiнливiстю у велико! рогато! худоби.
MaTepia™ i методи дослiджень
Порiвняльну характеристику та особливостi iзофе-рментного спектру оцшювали за генетично детермь нованим полiморфiзмом груп генетико-бiохiмiчних систем. Дослщи проводились на зразках гомогенапв оргaнiв, як1 одержували з використанням трилону-Б. Полiморфiзм ферментiв оцiнювaли, застосовуючи метод електрофоретичного роздшення бшшв у 13% крохмальному гелi в горизонтальних мжрокамерах з подальшим гiстохiмiчним фарбуванням (мжрокамери використовували для економi!' реaктивiв) (McDermid,
1975). Даш дослщженнях виконувався на невеликому поголiв'! тварин (3-5) голiв. Дослiджуванi органи тварин були вщбраш у тварин укра!нсько! чорно-рябо! молочно! породи у вщ 7-8 рошв (молочний напрямок продуктивносл) та тварин волинсько! м'ясно! породи 5-6 р1чного в1ку (м'ясний напрямок продуктивносл).
Результати та ix обговорення
Вивчаючи породоспециф1чн1 особливосл генетично! структури велико! рогато! худоби, можна спрогно-зувати, що можуть юнувати певш мехашзми, як1 ма-ють промiжну роль мiж генетично - детермшованим пол1морф1змом б1ох1м1чних маркер1в та мшливютю комплекав ознак продуктивносл. Одним з таких мехашзм1в може бути мшливють "б1ох1м1чного фенотипу" р1зних оргашв - ряду органоспециф1чних 1зо-ферментних спектрш генетико-б1ох1м1чних систем. У зв'язку з цим у даному дослщ були розглянул орга-носпециф1чн1 особливосл 1зоферментного спектру р1зних ферменлв у тварин молочного та м'ясного напрямку продуктивносл. Для проведення даного дослвду на електрофоретичному блош попарно роз-мщували проби м'ясних, полм молочних тварин в такому порядку: легеш, серцевий м'яз, селезшка, скелетний м'яз та печшка. Пор1вняльний анал1з орга-носпециф1чного спектру 1зофермент1в р1зних генети-ко-б1ох1м1чних систем в даних дослщження виконувався на невеликих кшькостях тварин (3-5 гол1в).
Пуриннуклеозидфосфорилаза (NP). Даний фермент монолокусний, тетрамер. На фореграмах фермент проявляешься одшею зоною (фенотип NP L з низькою актившстю), або розтягнутою плямою (висо-ка актившсть NP H). Актившсть NP майже одинакова у б№шосл дослвджуваних оргашв за виключенням спектру скелетних м'яз1в, де в пор1внянш з шшими органами вона мшмальна. Ввдносна актившсть цих ферменлв однакова у тварин молочного та м'ясного напрямшв продуктивносл в скелетних м'язах i в1др1з-няеться в серцевому м'язг При проведенш м1жпород-ного пор1вняння було виявлено, що в серцевому м'яз1 максимальна актившсть цього ферменту вщзначаеть-ся у тварин молочного напрямку продуктивности а мшмальна актившсть - у тварин м'ясного напрямку продуктивносл.
Слад зауважити, що за ллературними даними ор-ганоспециф1чна особливють експресп NP одинакова у тварин з генетично детермшованими вщмшностями за актившстю цього ферменту в еритроцитах кров1 (McDermid, 1975).
Лактатдепдрогеназа (LDH). Фермент тетрамер, на фореграм1 було виявлено п'ять зон активносл ферменту, яш являють собою комбшацш субодиниць про-дуклв двох локуав. П'ять зон проявляються не у вах органах. У гомогенал легень було зафшсовано чотири зони - LDH - 1, LDH - 2, LDH - 3, LDH - 4. Найвища актившсть була у швидко! зони LDH - 1. При анал1з1 зразшв серцевого м'язу проявляеться переважно три зони LDH - 1, LDH - 2, LDH - 3. У селезшш також переважно три зони LDH - 1, LDH - 2, LDH - 3 та LDH - 4. У гомогенатах печшки було виявлено три
найбшьш рухлив1 зони. У скелетному м'яз1 тварини р1зних напрямшв продуктивносл проявились ва п'ять зон. Вщмшшсть м1ж 1зоферментним спектром цих тварин була у ввдноснш активносл р1зних зон. Тварини м'ясного напрямку продуктивносл вщзначались вищою вщносною актившстю повшьних зон LDH-5 i вона спадала до найбшьш рухливих LDH-1. Тварини молочного напрямку продуктивносл видшяються вищою актившстю швидких зон LDH-1, LDH-2. Вщ-мшносл мiж тваринами молочного та м'ясного напрямку продуктивносл за спектром LDH виявляються також в серцевому м'язг у молочних тварин, на вщ-шну ввд м'ясних, спостертаеться експрес1я повшьних зон LDH-4, LDH - Малатдепдрогеназа (MDH). При анал1з1 органоспециф1чного спектру MDH на фореграмах проявилось дв1 зони активносл ферменту: цитоплазматична та м1тохондр1альна, остання вщзна-чаеться меншою рухливютю. Найб1льша актившсть обох форм проявляеться у серцевому м'язг Вщносно висока актившсть мггохондр1ально! форми виявлена в серцевому та скелетному м'язах i в печшш У легенях i селезшш актившсть ше! зони була низька. Щодо цитоплазматично! форми, то вона представлена у вах дослiджуваних органах з найбшьшою активнiстю в серцевому та скелетних мязах. У тварин молочного напрямку продуктивносл активнiсть обох форм знач-но вища, нiж у м'ясних в серцевому м'яз^ але практично однакова в скелетних м'язах.
Малик-ензим (МЕ). На фореграмах виявлено двi зони активностi. Цитоплазматична форма фарбуеться слабше та вiдзначаеться бшьшою рухливiстю. Мло-хондрiальна форма характеризуемся вищою активнi-стю зон.
фермент представлений п'ятьма зонами, вщмшно-стi в iзофeрмeнтному спeктрi вщносно активностi рiзних зон Цитоплазматична зона проявляеться у вах пробах з максимальною актившстю у печшш та серцевому м'язi i мiнiмально активна в легенях. Мггохо-ндрiальна зона проявляеться члташе, але в сeлeзiнцi вона вщсутня. Максимальна !! активнiсть вiдмiчeна у серцевому м'язг
Зразки органiв дослвджували за слiдуючими ферментами: лактатдепдрогеназа найбiльша у нирках, легенях та серш -LDH-5. Разом з тим в печшш найвища актившсть зони LDH-1. Не у вах органах проявляеться п'ять зон. Глюкозо-6-фосфатдепдрогеназа на фореграмах виявлено двi зони. Одна зона залиша-еться на "старл", а друга бтш рухлива. За актившстю швидко! зони вщзначаеться печшка, найменша актившсть ше! зони в серцевому та скелетному м'язах. Малатдегщрогеназа - майже з однаковою актившстю проявились двi зони. Дещо вища актившсть швидко! зони в нирках, найменша актившсть повшьно! зони в легенях. Пуриннуклеозидфосфорилаза - проявилась одна зона, вщносна актившсть яко! найвища у легенях.
Лактатдегщрогеназа - на форeграмi проявилось п'ять зон. Переважае активнiсть швидких зон LDH - 4 та LDH - 5.
Малатдепдрогеназа - на фореграмах проявилось двi зони. Найвищою актившстю цих зон вщзначалась
велика рогата худоба молочного напрямку продуктивности найвища актившсть у м'ясних тварин.
Малик-ензим - виявлено дв1 форми, повшьна зона профарбовуеться чггшше. Ввдносна актившсть окре-мих проб особливо не видшяеться, дещо вища вона у велико! рогато! худоби молочного напрямку продуктивность
Висновки
Внасл1док виконаних дослвджень одержан! дан! сввдчать про те, що вщмшносп тварин за такими характеристиками молочносп, як загальний надш за 305 дн!в першо! лактаци i вм!ст жиру в молод! супрово-джуеться неоднаковою диференц!ац!ею !х генетичних структур за р!зними генетико-бюх!м!чними системами. При р!зниц! за надоями найб!льш виражен! зм!ни спостерпаються за локусом трансферину, а при аналь з! груп тварин, що вщлзняються за вм!стом жиру в молощ - за локусом АМ-1. Це дозволяе припустити, що в основ! таких випадшв ввд'емних кореляцш м!ж даними ознаками можуть лежати специф!чш м!жло-кусн! взаемодй' за р!зними генетико-б!ох!м!чними системами, в як! i входять розглянут! нами системи. Можна говорити, що розвиток под!бних дослвджень може призвести до виявлення характерних генотишв за комплексом генетико-бюх!м!чних систем, т!сно пов'язаних з вщповвдним комплексом господарськи корисних ознак.
Перспективи подальших дослгджень. У наступних дослвдженнях буде вивчено особливосл генетично! диференц!ацй' р!зних порщ велико! рогато! худоби, !х органоспециф!чно! експресп ген!в. Кр!м того буде проведена пор!вняльна оц!нка близькоспор!днених вид!в та пор!д велико! рогато! худоби.
References
Babenko, O.I. (2015). Zv'jazok gena somatotropnogo gormonu z gospodars'ky korysnymy oznakamy koriv ukrai'ns'koi' chorno-rjaboi' porody. Rozvedennja i genetyka tvaryn, 49, 148-153 http://digest.iabg.org.ua/genetics/item/106-49-023 (in Ukrainian).
Bodnaruk, V.Y., Bodnar, P.V., Zhmur, A.J., Muzyka, L.I., Kropyvka, Y.G., Orihivsjkyj, T.V., & Pоslavska, J.V. (2018). Options for genetic-biochemical markers in connection with dairy productivity. Scientific Messenger of Lviv National University of Veterinary Medicine and Biotechnologies, 20(84), 98-103. doi: 10.15421/nvlvet8418. Bodnaruk, V.Y., Muzyka, L.I., Bodnar, P.V., Zhmur, A.J., & Orihivsjkyj, T.V. (2017). New possibilities of effective breeding in cattle based on the study of the genome. Scientific Messenger LNUVMB, 19(79), 3237. doi: 10.15421/nvlvet7907. Bodnaruk,V., Shchebatyj, Z., Muzyka, L., Zhmur, A., & Orikhivskyj, T. (2017). Genofond of some breed of cattle. Scientific Messenger LNUVMBT named after S.Z. Gzhytskyj, 19 (74), 131-134. doi: 10.15421/nvlvet7429.
Bovenhuis, H., Van Arendonk, J.A.M., & Korver, S. (1992). Associations Between Milk Protein Polymorphisms and Milk Production Traits. J. Dairy Sci., 75, 2549-2559. doi: 10.3168/jds.S0022-0302(92)78017-5.
Dejkin, A.V., Selionova, M.I., Krivoruchko, A.Ju., Kovalenko, D.V., Truhachev, V.I. (2016). Geneticheskie markery v mjasnom ovcevodstve. Vavilovskij zhurnal genetiki i selekcii, 20(5), 576583. doi: 10.18699/VJ16.139.
Dybus, A., Grzesiak, W., Kamieniecki, H., Szatkowska, I., Sobek, Z., Blaszczyk, P., Czerniawska-Piatkowska, E., Zych, S., & Muszynska, M. (2005). Association of genetic variants of bovine prolactin with milk production traits of Black-and-White and Jersey cattle. Archiv Tierzucht, 48(2), 149-156. doi: 10.5194/aab-48-149-2005.
Eggena Fries, R. (1992). Die Untersuchung von Kaseingenenmittels DNA-Analyse. ETH Landwirtschaft Schweb Band, 231-235.
Hlestkina, E.K. (2013). Molekuljarnye markery v geneticheskih issledovanijah i v selekcii. Vavilovskij zhurnal genetiki i selekcii, 17(4/2), 1044-1054 (in Russian).
Kopylov, K.V. (2010). Genetychna struktura riznyh porid velykoi' rogatoi' hudoby za lokusamy kil'kisnyh oznak. Rozvedennja i genetyka tvaryn, 44, 91-95 (in Ukrainian).
Kurak, O.P., Gandzha, A.Y., Zhuryna, N.V., Letkevych, L.L., Symonenko, V.P., Koval'chuk, M.A., & Kyryllova, Y.V. (2014). Monytoryng krupnogo rogatogo skota belorusskoj cherno-pestroj porodbi po lokusam hozjajstvenno-znachymbih pryznakov. Rozvedennja i genetyka tvaryn. 48, 194-202. http://digest.iabg.org.ua/genetics/item/62-48-027 (in Ukrainian).
McDermid, E.M., Agar, N.S., & Chai, C.K. (1975). Elec-trophoretic variation of red cell enzyme sustems in farm animals. Anim. Blood Groups and Biochem. Genet., 6 (3), 127-174. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/ pubmed/812391.
Suprovich, T., & Mokhnachova, N. (2017). Gene polymorphism of economically-useful traits in ukrainian gray cattle breed. The Animal Biology, 19 (1), 111118. doi: 10.15407/animbiol19.01.111.
Suprovych, T.M., & Kopylov, K.V. (2014). Vyznachennja DNK-markeriv u shyl'nyh ta rezystentnyh do mastytiv koriv ukrai'ns'koi' chorno-rjaboi' molochnoi' porody. Rozvedennja i genetyka tvaryn, 48, 214-223. http://digest.iabg.org.ua/genetics/ item/66-48-030 (in Ukrainian).
Taker, E. (1975). Genetic differences in metabolism of farm animals. The Blood of Sheep. Berlin: Springer - verlog, 123-151. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/
331333.
Zhivotovskij, L.A. (1979). Pokazatel' shodstva populjacij po polimorfnym priznakam. Zhurn. obshhej biologii. 40(4), 587-602 (in Russian).
