Полиморфизм трнкleu и трнкser митохондриальной ДНК свиней различных пород Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

ЗООТЕХНИЯ

УДК 636.4.082.4 doi: 10.30766/2072-9081.2018.66.5.104-109

Полиморфизм тРНКЬеи и тРНК8ег митохондриальной ДНК свиней различных пород*

М.А. Колосова1, Л.В. Гетманцева2, Н.Ф. Бакоев12, А.Ю. Колосов1

1ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет», пос. Персиановский, Ростовская область, Российская Федерация,

2ФГБНУ «Федеральный научный центр животноводства - ВИЖ имени Л.К. Эрнста», пос. Дубровицы, Московская область, Российская Федерация

Анализ последовательности митохондриальной ДНК (мтДНК), имеющей материнский характер наследования, служит эффективным способом оценки индивидуальных особенностей коммерческих линий. В работе проведен анализ вариабельности последовательностей генов тРНК*ег и тРНКь^ мтДНК у свиней различных пород. В качестве объектов исследования были выбраны гены мтДНК тРНКЬеи1, тРНК"еи2, tRNASerl, tRNASer2. Для изучения последовательностей из базы National Center for Biotechnological Information (NCBI) были выбраны данные по свиньям различных пород. Выравнивание нуклеотидных последовательностей проводили с использованием программы BioEdit. Анализ последовательностей показал наличие полиморфизмов во всех изучаемых генах. Всего установлено шесть полиморфных сайтов, которые представлены транзициями Анализ гена показал

наличие замены A/G в позиции 3892 п.н у свиней китайской селекции породы Wuzhishan и свиней японской селекции Luchuan, а также замены С/T в позиции 3907 п.н. у шведского дикого кабана. По гену

тРН^ш2 у большинства

исследуемых пород отмечено одновременное присутствие двух транзиций в позиции 12879 п.н., что обуславливает замену А/G и в позиции 12883 п.н и соответствует замене С/Т. В результате исследований по гену тРНКЯег1 установлено наличие одной транзиции А/G в позиции 8103 п.н у свиней крупной белой породы корейской селекции. Полиморфизм гена тРНКЯег2 представлен трансзицией Т/С в позиции 12838 п.н у итальянского дикого кабана. Наибольшее количество полиморфизмов встречалось у свиней крупной белой породы корейской и китайской селекции, а также у представителей итальянского дикого кабана. Изучение полиморфизма мтДНК племенных свиней позволит установить возможные ассоциативные связи и разработать мтДНК-маркеры, которые могут быть использованы в программах по совершенствованию и созданию племенных ресурсов в свиноводстве. Ключевые слова: свиньи, мтДНК, последовательность, тРНК''1"1,

mPHKLe"2, mPHKSer1, mPHKSer2

Исследования полиморфизма ядерной и митохондриальной ДНК (мтДНК) позволяют вскрывать уникальные биологические особенности пород и линий свиней и разрабатывать методы селекции с использованием молеку-лярно-генетической информации. Митохонд-риальная ДНК значительно меньше ядерной по размерам и кодирует всего несколько десятков биологических макромолекул [1]. У свиней мтДНК представляет собой кольцевую молекулу, состоящую в среднем из 16,5 тыс. п.н. В состав мтДНК входят 37 генов: 13 для белков дыхательной цепи, 22 для тРНК и два рРНК (168 рРНК и 128 рРНК), а также наиболее вариабельная область - D-петля [2].

Мутации в митохондриальных генах, в частности тРНК, часто приводят к развитию наследственных заболеваний у людей. В научной литературе постоянно появляются все новые и новые работы, описывающие ранее не идентифицированные мутации в ДНК мито-

хондрий и их связи с клиническими симптомами [3]. Получены положительные результаты при оценке ассоциативных связей между вариабельностью мтДНК и продуктивными качествами с.-х. животных [4].

По своей природе мтДНК консервативна, относительно ядерной ДНК, что делает ее более привлекательной при исследовании генетической структуры породы и линии свиней, а также при поиске мтДНК-маркеров, ассоциированных с селекционными признаками свиней. Несмотря на то, что митохондриальный геном свиньи отличается от ядерного значительно меньшим размером в нем присутствуют два гена лейциновой и сериновой тРНК (Leu и Ser или тРНК^ и тРНКЬш соответственно). В связи с этим интерес представляет поиск мутаций в этих генах у свиней различных пород.

Цель исследований - изучить вариабельность генов тРНК8ет и тРНКЬш у свиней различных пород.

*Работа выполнена с использованием средств гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых-кандидатов наук - договор № МК-1443.2018.11

Материал и методы. В качестве объектов исследования были выбраны гены мтДНК тРНК тРНК^2, tRNASeг1,

tRNA . Для изучения последователь-

Таблица

Позиции генов тРНК митохондриальной ДНК у свиней различных пород

ностей из базы National Center for Biotechnological Information (NCBI) были выбраны данные по свиньям различных пород (табл.).

Номер GenBank Порода mPHKLeu1 трн^еи2 тРНК!ег1 mPHKSer2 Автор

AF304200.1 Chinese Meishan 2605... 2679 11624..11693 6894...6961 11565...11623 [2]

AF486874.1 Large White 2605... 2679 11624...11693 6886...6818 11564...11622 [3]

KM275217 Luchuan 3944...4018 11625...11694 8228...8158 11566...11624 [4]

EU333163.1 Chinese northeast wildboar 3815...3889 12835...12904 8099...8029 12776...12834 [9]

AF304201.1 Italian wild boar 2605...2679 11625...11694 6819...6887 11566...11624 [2]

EU117375.1 Iberian 2670...2744 11690...11759 6952...6884 11631...11689 [10]

AF304203.1 Swedish wild boar 2605...2679 11625...11694 6819...6887 11566...11624 [2]

AF486868.1 Chinese Yimenghei 2605...2679 11623...11692 6885...6817 11564...11622 [3]

AF486867.1 Chinese Wuzhishan 2606...2680 11624...11693 6886...6818 11565...11623 [3]

AF486858.1 Duroc 2605...2679 11624...11693 6886...6818 11565...11623 [3]

AF486859.1 Chinese Xiang 2606...2680 11625...11694 6887...6819 11566...11624 [3]

AF486856.1 Chinese Zang 2605...2679 11624...11693 6886...6818 11565...11623 [3]

AF486855.1 Chinese Zhong Meishan 2607...2681 11626...11695 6888...6820 11567...11625 [3]

AY574048.1 Large White 3783...3857 12791...12860 7986...8055 12732...12790 [5]

AF486866.1 Landerace 2605...2679 11624...11693 6886...6818 11565...11623 [3]

KM998967.1 Meishan 3942...4016 12962...13031 8226...8156 12903...12961 [4]

JN601071.1 Meishan 2669...2743 11689...11758 6883...6951 11630...11688 [6]

KJ746666.1 Mangalica 2669...2743 11689...11758 6883...6951 11630...11688 [7]

JN601069.1 Mangalitsa swallow belly 2669...2743 11689...11758 6883...6951 11630...11688 [7]

MF183224.1 Swallow-belly Mangalica 2668...2742 11688...11757 6882...6950 11629...11687 [8]

В качестве референсной последовательности были взяты данные свиней крупной белой породы, представленные в NCBI под номером NC 000845.1 (Sus scrofa). Выравнивание нуклеотидных последовательностей проводили с использованием программы BioEdit.

Результаты и их обсуждение. Большинством исследователей установлено, что транспортная тРНКЬга1 находится в пределах 2605...2679 п.н. [2-3] и незначительно варьируется у свиней различных пород (табл.). Так, Ran и Chen у свиней Luchuan японской селекции установили позицию гена в пределах 3944...4018 п.н., у свиней Meishan в области 3942...4016 п.н. [4]. Cho, Park и Jeon у свиней крупной белой породы корейской селекции определили позицию в пределах 3783...3857 п.н., у китайского северо-восточного кабана порядка 3815...3889 п.н. [5]. Cannon с соавторами определили позицию тРНКЬш1 у свиней пород Meishan, Mangalitsa swallow belly в пределах 2669...2743 п.н. [6]. Аналогичные данные получены Zhang с соавторами

и Frank с соавторами при изучении свиней Mangalica [7] и Swallow-belly Mangalica [8].

Анализируя данные по гену TPHKLeu2, можно отметить, что в большинстве случаев он локализован в интервале 11624...11693 п.н. Однако Yu, Li и Liu, изучая митохондриаль-ный геном китайского северо-восточного кабана, установили позицию в пределах 12835... 12904 п.н. [9]. Cho, Park и Jeon при изучении свиней крупной белой породы корейской селекции позицию определили в пределах 12791...12860 п.н. [5]. Cannon с соавторами, Zhang с соавторами и Frank с соавторами, анализируя мтДНК пород свиней Meishan, Mangalitsa swallow belly [6], Mangalica [7] и Swallow-belly Mangalica [8], определили позицию в интервале 11688...11757 п.н.

Транспортная тРНК&г1 у многих авторов определена в пределах 6883...6951 п.н. [3, 6, 7, 8], однако, имеются и другие результаты. Kijas и Andersson у пород свиней Chinese Meishan определили позицию в пределах 6894...6961 п.н. [2]. Ran and Chen для свиней Luchuan япон-

ской селекции и свиней породы Meishan установили позицию в пределах 8226...8158 п.н.

[4]. Другие авторы указывают позицию у китайского северо-восточного кабана 8099...8029 п.н. [9], иберийских свиней 6952...6884 п.н. [10], свиней крупной белой породы корейской селекции 7986...8055 п.н.

[5]. Kijas and Andersson отмечали у итальянского и шведского дикого кабана позицию тРНК^1 в пределах 6819...6887 п.н. [2].

При изучении гена тРНК^г2 у большинства свиней в выборке позиция гена установлена в пределах 11567...11625 п.н. [2, 3, 4]. Alves с соавторами установили позицию, которая имеет незначительные отличия у иберийских свиней 11631... 11689 п.н. [10]. Также среди авторов встречаются другие позиции. Yu, Li and Liu у китайского северо-восточного кабана определили позицию 12776... 12834 п.н. [9]. Cho, Park и Jeon у свиней корейской селекции определили позицию на уровне 12732... 12790 п.н.

[5]. Ran и Chen установили локализацию гена в пределах 12903... 12961 п.н. [4].

Общая длина мтДНК зависит от тендем-ных повторов, в связи с этим мы можем наблюдать небольшие смещения в позициях генов мтДНК. Несмотря на это, позиции генов во всех случаях имеют одинаковую протяженность. В результате анализа установлено, что тРНКЬш1 во всех породах составляет 74 п.н., тРНК - 69 п.н., тРНК^1 - 68 п.н. и тРНКЬш2 - 58 п.н.

В результате изучения вариабельности нуклеотидной последовательности по гену тРНКЬш1 относительно референсной популяции установлено наличие полиморфизма у свиней породы Wuzhishan китайской селекции, Luchuan японской селекции, шведского дикого кабана. Были определены две замены: A/G в позиции 3892 п.н у свиней китайской селекции породы Wuzhishan и свиней японской селекции Luchuan, а также С/T в позиции 3907 п.н у шведского дикого кабана (рис. 1).

Рис.1. Последовательность тРНК eu у свиней различных пород

Анализ нуклеотидных последовательностей различных пород свиней в области гена тРНК^2 относительно референсной последовательности показал наличие полиморфных сайтов (рис. 2). У большинства исследуемых пород отмечено одновременное присутствие двух транзиций (замены между пуриновыми и пиримидиновыми основаниями). Полиморфизмы отмечены в позиции 12879 п.н., что обуславливает замену А/G и в позиции 12883 п.н., что соответствует замене С/Т. Из наиболее распространённых пород, в которых присутствуют одновременно две замены, можно отметить свиней крупной белой породы корейской селекции, однако, у свиней китайской селекции полиморфизма не установлено. Возможно, это связано с различиями в селекционных стратегиях, направленных на формирование племенного материала.

Ранее нами были проведены молекуляр-но-генетические исследования по изучению вариабельности нуклеотидной последовательности генов тРНК мтДНК у свиней пород ландрас и крупная белая. Полиморфные сайты были определены в последовательности тРНК^ мтДНК и установлены замены G/А и Т/С. На основе полученных результатов мы предположили, что установленный полиморфизм в тРНК^ мтДНК имеет породоспецифи-ческий характер и может рассматриваться как один из критериев при оценке генетической структуры породы и линии свиней.

При изучении тРНК^11 установлено наличие одной замены А/G в позиции 8103 п.н. у свиней крупной белой породы корейской селекции (рис. 3). У 19 других пород относительно референсной популяции полиморфизма по гену тРНК^11 установлено не было.

Рис. 2. Последовательность тРНКЬеи2 у свиней различных пород

Рис. 3. Последовательность тРНК er у свиней различных пород

Анализ нуклеотидных последовательностей различных пород свиней в области гена тРНК^г2 относительно референсной последовательности показал наличие одного поли-

морфного сайта у итальянского дикого кабана. Полиморфизм представлен заменой Т/С в позиции 12838 п.н. (рис. 4).

ыс^000845.1 Sus scrofa mitсю! ДТСТДСССДЙДДДСТ Т ГС

Рис. 4. Результаты выравнивания последовательностей тРНК8ег2 у свиней различных пород

Выводы. В результате проведенного анализа была изучена вариабельность генов мтДНК TPHKLeu1, тРНКЬеи2, tRNASer1, tRNASer2 у свиней различных пород относительно референсной популяции. Анализ последовательностей показал наличие полиморфизмов во всех изучаемых генах. Всего установлено шесть полиморфных сайтов, которые представлены транзициями. Анализ гена тРНК^1 показал наличие замены A/G в позиции 3892 п.н. у свиней китайской селекции породы Wuzhishan и свиней японской селекции Luchuan, а также замены С/T в позиции 3907 п.н. у шведского дикого кабана. По гену тРНК^2 у большинства исследуемых пород отмечено одновременное присутствие двух транзиций в позиции 12879 п.н., что обуславливает замену А/G и в позиции 12883 п.н и соответствует замене С/Т соответственно. В результате исследований по гену тРНКйег1 установлено наличие одной транзиции А/G в позиции 8103 п.н. у свиней крупной белой породы корейской селекции. Полиморфизм гена тРНКйег2 представлен трансзицией Т/С в позиции 12838 п.н. у итальянского дикого кабана.

Наибольшее количество полиморфизмов встречалось у свиней крупной белой породы корейской и китайской селекции, а также у представителей итальянского дикого кабана.

Полученные данные свидетельствуют о возможности проведения дальнейших исследований митохондриального генома с.х. животных и будут способствовать более детальному изучению его структуры и разработке мтДНК-маркеров.

Список литературы

1. Getmantseva L., Kolosov A., Leonova M., Bakoev S., Klimenko A., Radyuk A., Vaselenko V., Bakoev N., Usatov A., Makarenko M. Polymorphisms in obesity-related leptin gene and its association with reproductive traits of sows. Bulgarian Journal of Agricultural Science. 2017. Т. 23. № 5. С. 843-850.

2. Kijas J.M. and Andersson L. A phylogenetic study of the origin of the domestic pig estimated from the near-complete mtDNA genome J. Mol. Evol. 52 (3), 302-308 (2001).

3. Yang J., Wang J., Kijas J., Liu B., Han H., Yu M., Yang H., Zhao S. and Li K. Genetic diversity present within the near-complete mtDNA genome of 17 breeds of indigenous Chinese pigs J. Hered. 94 (5), 381-385 (2003).

4. Ran M., Chen B. The complete sequence of the mitochondrial genome of Luchuan pig (SusScrofa) Submitted (07-AUG-2014). Department of Animal Genetics and Breeding, College of Animal Science and Technology, Furong District, Changsha, Hunan 410128, China. P. 2071-2072.

5. Cho I.C., Park J.J., Jeon J.T. The complete sequence of mitochondrial DNA of Berkshire (Sus scrofa). Unpublished work. National Institute of Subtropical Agriculture; R.D.A., 1696, Odeung dong, Jeju 690-150, South Korea: 2004.

6. Cannon M.V., Brandebourg T.D., Kohn M.C., Ethikic D., Irwin M.H., Pinkert C.A. Mitochondrial DNA sequence and phylogenetic evaluation of geographically disparate Sus scrofa breeds Anim. Biotechnol. 26 (1), 17-28 (2015).

7. Zhang D., Liu D., Zhang X. The distribution and relationship of China domestic pig Submitted (25-APR-2014) Animal Science, Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences, Xuefu Road 368, Harbin, Hei-longjiang 150086, China. Available at: https://www.ncbi. nlm.nih.gov/nuccore/JN601069.1 (accessed: 25.05.2018).

8. Frank K., Molnar J., Barta E., Marincs F. The full mitochondrial genomes of Mangalica pig breeds and their possible origin // Mitochondrial DNA Part B Mitochondrial DNA Part B. Vol. 2. pp 730-734. DOI: 10.1080/23802359.2017.1390415.

9. Yu H., Li L., Liu D. Phylogeography of Boar based on mtDNA evolution Submitted (08-DEC-2007) Animal Science and Technology College, Northeast Agricultural University, 59 Mucai Street, Harbin, HeiLon gjiang 150030, China. Available at: https://www.ncbi. nlm.nih. gov/nuccore/EU333163.1 (accessed: 4.06.208).

10. Alves E., Fernandez A.I., Ovilo C., Fernandez A., Rodriguez C., Sileo L. Variation in mtDNA Iberian breed Submitted (23-AUG-2007) Mejora Genetica Animal, INIA, Ctra de la Coruna Km7, Madrid 28040, Spain. Available at: https://www.ncbi. nlm.nih.gov/nuccore/ EU117375.1 (accessed: 5.06.2018).

Сведения об авторах:

Колосова Мария Анатольевна1, кандидат с.-х. наук, старший научный сотрудник, e-mail: [email protected], ORCID ID 0000-0003-2979-7108,

Гетманцева Любовь Владимировна2, кандидат с.-х. наук, ведущий научный, e-mail: [email protected], ORCID ID 0000-0003-1868-3148,

Бакоев Некруз Фарходович2, младший научный сотрудник, e-mail:[email protected], ORCID ID 0000-0002-0324-3580,

Колосов Анатолий Юрьевич1, кандидат с.-х. наук, доцент, e-mail: [email protected], ORCID ID 0000-0002-6583- 8942

1ФГБОУ ВО "Донской государственный аграрный университет", ул. Кривошлыкова, 24, поселок Персианов-ский, Октябрьский (с) район, Ростовская область, Российская Федерация, 346493, e-mail: [email protected] 2ФГБНУ «Федеральный научный центр животноводства - ВИЖ имени. Л.К. Эрнста», д. 60, пос. Дубровицы, Городской округ Подольск, Московская область, Российская Федерация, 142132, e-mail: [email protected],

Agrarnaya nauka Evro-Scvcro-Vostoka. 2018. Vol. 66, no. 5, pp. 104-109.

doi: 10.30766/2072-9081.2018.66.5.104-109 Mitochondrial DNA tRNALeu and tRNASer polymorphism in different pig breeds M.A. Kolosova1, L.V. Getmantseva2, N.F. Bakoev2, A.Yu. Kolosov1

1Don State Agrarian University, Persianovsky settlement, Rostov region, southern Federal district, Russian Federation,

2Federal Science Center for Animal Husbandry named alter Academy Member L.K. Ernst, Dubrovitsy settlement, Moscow region, Russian Federation

Analysis of the scqucncc of mitochondrial DNA (mtDNA), which has a maternal nature of inheritance, is an effective way of assessing the individual characteristics of commercial lines. The analysis of the scqucncc variability of the mtDNA tRNASer and tRNALcu genes in different pig breeds was carried out. The mtDNA tRNA, tRNALcu2, tRNAScr1, tRNASer2 genes were chosen as the study objects. For the study of the sequences, data on pigs of different breeds were selected from the National Center for Biotechnological Information (NCBI). The sample group included 20 animals. Alignment of nucleotide sequences was performed using the BioEdit program. Scqucncc analysis showed the presence of polymorphisms in all studied genes. A total of six polymorphic sites arc established, which arc represented by transitions. Analysis of the gene tRNALeu1 showed the presence of A3892G substitution. The polymorphism A3892G in the Wuzhishan and Luchuan pigs was determined in the tRNALeu1 gene, and polymorphism C3907T was determined in the Swedish wild boar. Many of the pigs studied had a simultaneous presence of two A12879G and C12883T transitions in the tRNA Leu2 gene. One transition of A8103G in the tRNASer1 gene was established in Large White pigs of Korean breeding. The polymorphism of the tRNASer2 gene is represented by the translation of T12838C into the Italian wild boar. The highest number of polymorphisms was determined in Large White of Korean and Chinese breeding, as well as in the Italian wild boar. The study of mtDNA polymorphism will allow to establish associative links and develop mtDNA markers that can be used in programs for improving and creating breeding resources in pig breeding.

Key words: swine, mtDNA, sequence, tRNALeu1, tRNA Leu2, tRNASerl, tRNASer2

Reference

1. Getmantseva L., Kolosov A., Lconova M., Bakoev S., Klimenko A., Radyuk A., Vaselenko V., Bakoev N., Usatov A., Makarenko M. Polymorphisms in obesity-related lcptin gene and its association with reproductive traits of sows. Bulgarian Journal of Agricultural Science. 2017. T. 23. № 5. C. 843-850.

2. Kijas J.M., Andersson L. A phylogenetic study of the origin of the domestic pig estimated from the near-complete mtDNA genome J. Mol. Evol. 52 (3), 302-308 (2001).

3. Yang J., Wang J., Kijas J., Liu B., Han H., Yu M., Yang H., Zhao S. and Li K. Genetic diversity present within the near-complete mtDNA genome of 17 breeds of indigenous Chinese pigs J. Hcrcd. 94 (5), 381-385 (2003).

4. Ran M., Chen B. The complete sequence of the mitochondrial genome of Luchuan pig (SusScrofa) Submitted (07-AUG-2014). Department of Animal Genetics and Breeding, College of Animal Science and Technology, Furong District, Changsha, Hunan 410128, China. pp. 2071-2072.

5. Cho I.C., Park J.J., Jcon J.T. The complete sc-quence of mitochondrial DNA of Berkshire (Sus scrofa). Unpublishcd work. National Institute of Subtropical Agriculture; R.D.A., 1696, Odeung dong, Jeju 690-150, South Korea: 2004.

6. Cannon M.V., Brandebourg T.D., Kohn M.C., Ethikic D., Irwin M.H., Pinkert C.A. Mitochondrial DNA sequence and phylogenetic evaluation of geographically disparate Sus scrofa breeds Anim. Biotechnol. 26 (1), 17-28 (2015).

7. Zhang D., Liu D., Zhang X. The distribution and relationship of China domestic pig Submitted (25-APR-2014) Animal Science, Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences, Xuefu Road 368, Harbin, Heilongjiang 150086, China. Available at: https://www.ncbi. nlm.nih.gov/nuccore/JN601069.1 (accessed: 25.05.2018).

8. Frank K., Molnar J., Barta E., Marincs F. The full mitochondrial genomes of Mangalica pig breeds and their possible origin // Mitochondrial DNA Part B Mitochondrial DNA Part B. Vol. 2. pp 730-734. DOI: 10.1080/23802359.2017.1390415.

9. Yu H., Li L., Liu D. Phylogeography of Boar based on mtDNA evolution Submitted (08-DEC-2007) Animal Science and Technology College, Northeast Agricultural University, 59 Mucai Street, Harbin, HeiLon gjiang 150030, China. Available at: https://www.ncbi. nlm.nih. gov/nuccore/EU333163.1 (accessed:4.06.208).

10. Alves E., Fernandez A.I., Ovilo C., Fernandez A., Rodriguez C., Sileo L. Variation in mtDNA Iberian breed Submitted (23-AUG-2007) Mejora Genetica Animal, INIA, Ctra de la Coruna Km7, Madrid 28040, Spain. Available at: https://www.ncbi. nlm.nih.gov/nuccore/ EU117375.1 (accessed: 5.06.2018).

Information about the authors:

M.A. Kolosova1, PhD in Agriculture, senior researcher, L.V. Getmantseva , PhD in Agriculture, leading researcher, N.F. Bakoev2, junior researcher, A.Yu. Kolosov1, PhD in Agriculture, associate professor

Don State Agrarian University, Krivoshlykova street, 24, persianovsky settlement, Oktyabrsky (C) district, Rostov region, southern Federal district, Russian Federation, 346493, e-mail: [email protected],

2Federal Science Center for Animal Husbandry named alter Academy Member L.K. Ernst, h. 60, Dubrovitsy settlement, Podolsk City district, Moscow region, Russian Federation, 142132, e-mail: [email protected]