عنوان

مطالعه ژن های موثر بر بیماری ورم پستان در گاوهای شیری با استفاده از داده های ترنسکریپتوم

پ۲۹۱۱۵

per

مطالعه ژن های موثر بر بیماری ورم پستان در گاوهای شیری با استفاده از داده های ترنسکریپتوم

نوشین قهرمانی

کشاورزی

۱۴۰۱

۸۶ص.

سی دی

دکتری

علوم دامی

۱۴۰۱/۱۱/۱۲

ورم پستان شایع ترین بیماری در گاوهای شیری پرتولید و از نظر اقتصادی مهم ترین و پرهزینه ترین بیماری در صنعت پرورش گله های شیری به شمار می رود. بیماری ورم پستان تحت کنترل یک یا چند ژن خاص نیست بلکه یک صفت کاملا پیچیده بوده و عوامل ژنتیکی و محیطی مختلفی بر نحوه بروز آن تاثیر می گذارد. برای طراحی یک برنامه اصلاح نژادی به منظور پیش گیری، درمان و کاهش بیماری، درک شبکه ژنی و شناسایی پروتئین های مهم و موثر در بروز بیماری ضروری می باشد. هدف از این تحقیق بررسی داده‌های ریزآرایه، RNA-seq و miRNA موجود در پایگاه داده‌ برای پیدا کردن ژن‌های مهم و موثر بر بیماری ورم پستان در گاوهای شیری است. این پژوهش برای داده های RNA-Seq و ریزآرایه در چند مرحله صورت گرفت که عبارت اند از: آنالیز تفاوت بیان ژنی و متاآنالیز داده های RNA-Seq و ریزآرایه به منظور دست‌یابی به لیست مشترکی از ژن ها با استفاده از روش ترکیب مقادیر P-value; رسم شبکه برهمکنش پروتئین-پروتئین و شبکه‌ هم‌بیانی ژنی; بررسی عملکردی و تنظیمی ماژول ها در مسیرهای متابولیکی و پیام رسانی دخیل در بروز بیماری با استفاده از ژن آنتولوژی; شناسایی ژن¬های مرکزی در شبکه‌ هم بیانی ژنی; بکارگیری الگوریتم یادگیری ماشین با هدف تایید و پیش بینی ژن های کاندیدا در بروز بیماری. نتایج متاآنالیز داده‌های ریزآرایه و RNA-Seq به ترتیب منجر به شناسایی 2089 و 2794 متاژن در ارتباط با بیماری ورم پستان ناشی از باکتری E. coliشد. 360 متاژن مشترک حاصل از نتایج آنالیز داده¬های ریزآرایه و RNA-Seq در مسیرهای متابولیسمی “Peroxisome”, “NOD-like receptor signaling pathway”, “IL-17 signaling pathway” و“TNF signaling pathway” دخیل بودند. آنالیز شبکه ژنی نقش ژن¬های STAT1, RTPRC, SOD2 و VCP را به عنوان ژن‌های مهم دخیل در این بیماری آشکار کرد. همچنین آنالیز شبکه هم بیانی ژنی با بیان وزن¬دار به¬منظور گروه بندی ژن¬ها منجر به شناسایی دو ماژول عملکردی مرتبط با بیماری ورم پستان گردید. در این ماژول¬ها ژن¬های CD53، NCKAP1L، ARHGEF2، COL9A1، PTPRC، PRDX5، RAB5C، ACTN4، SLC25A16 و MAPK6 به عنوان ژن‌های مرکزی با نقش کلیدی شناسایی گردیدند. نهایتا عملکرد و ساخت مدل¬های پیش¬بینی کننده با استفاده از رویکرد یادگیری ماشین با الگوریتم های وزن دهی و درخت تصمیم انجام شد. تحلیل نتایج بر حسب معیار صحت مدل¬های ارئه شده تاییدی بر این بود که کاراترین روش یادگیری ماشین است. در مرحله بعد به منظور درک مکانیسم های تنظیمی miRNAها بر روی شبکه¬های برهم کنش ژن¬های کاندیدا شناسایی شده بر روی بیماری ورم پستان، داده های مربوط به miRNA با استفاده از رویکرد متاآنالیز و برهمکنش پروتئین-پروتئین مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. با استفاده از متاآنالیز داده‌ها bta-miR-98، bta-miR-193a-3p و bta-miR-138 در ارتباط با بیماری ورم پستان ناشی از uberis معرفی گردیدند. مطالعه اهداف تنظیمی این miRNAها به ترتیب منجر به شناسایی 1121، 268 و 672 ژن¬ هدف شد. بررسی مسیرهای متابولیسمی ژن‌های هدف miRNAها حاکی از این است که در بسیاری از مکانیسم‌های مقابله با التهاب و آلودگی از جمله، پاسخ به محرک های درونی و بیرونی، مرگ سلولی و تولید ایمنوگلوبین درگیر هستند. در این مطالعه اطلاعات سودمندی در رابطه با مکانیسم‌ها درگیر در این بیماری معرفی گردید، همچنین بیومارکرهای ترنسکریپتومی موثر در بیماری ورم پستان ارائه شد. این نتایج اطلاعات با ارزشی برای برنامه ریزی های اصلاحی و درمانی آتی برای کنترل این بیماری در نشخوارکنندگان ارائه می¬دهد.

Mastitis is the most prevalent diseases in high producing dairy cattle, also is the most expensive and most importantdisease in the dairy industry. Mastitis is not under the control of one or more specific genes, even mastitis is acomplex genetic trait a combination of many genes and environmental factors ultimately be responsible foroccurrence of‌‌mastitis. For designing a breeding program till preventing, treating and reducing the disease, it isessential to understand the gene network and identify important and effective proteins in the occurrence of thedisease. The present study aimed to explore the microarray, RNA-Seq and miRNA data available in the databaseto find effective genes of bovine mastitis in dairy cattle. A comparative study of RNA-Seq and microarray dataanalysis was conducted in several steps: Analysis of differential gene expression and meta-analysis to get a commonlist of genes using the P-value combination method; Constructing protein-protein interactions networks and geneco-expression network; Investigation of functional and regulation modules in metabolic pathways and signalinginvolved in the occurrence of disease using gene ontology; Identification of key player genes in gene regulatorynetworks; Using of machine-learning algorithm in order to confirming and predicting candidate genes in theoccurrence of disease; Meta-analysis of microarray and RNA-seq datasets were generated 2,089 and 2,794 metagenes associated with mastitis caused by E. coli, respectively. 360 common metagenes were significantly enrichedas "Peroxisome", "NOD-like receptor signaling pathway", "IL-17 signaling pathway" and "TNF signalingpathway". Gene network analysis introduces STAT1, RTPRC, SOD2‌‌,VCP‌‌of key player genes. Also weightedgene co-expression network analysis was identified as two critical functional modules associated with mastitisdisease. PRDX5, RAB5C, ACTN4, SLC25A16, MAPK6, CD53, NCKAP1L, ARHGEF2, COL9A1, and PTPRCwere introduced as hub genes in functional modules. Finally, optimizing the predicted models using attributeweighting, machine-learning algoritms and decision tree was done. The analysis of the results according to highaccuracy models was confirmed that most powerful method is machine learning algorithm. In order to understandthe regulatory mechanisms of miRNAs on the interaction networks of key genes, miRNA data was analyzed andusing meta-nalysis and protein-protein interaction. Using meta-analysis bta-miR-98, bta-miR-193a-3p and btamiR-138 were identified with mastitis caused by uberis. Studing regulatory functions of miRNAs respectively‌‌wereidentified 1121, 268 and 672 target genes. Investigating the metabolic pathways of target genes of miRNA indicatesthat they are involved of dealing with inflammation and pollution, including response to internal and externalstimuli, cell death and production of immunoglobulin.‌‌This study has provided useful information regarding ofmechanisms in mastitis disease and transcriptomic biomarkers effective. These results provide valuable informationfor future breeding and treatment plans to control this disease in ruminants‌

The Study of Genes Affecting Mastitis Disease in Dairy Cattle Using Trancriptome Data

قهرمانی،

نوشین‏

تهیه کننده

شجاع غیاث،‏

رأفت،

پناهی،

حسن پور،

جلیل‏

سیّد عبّاس‏

بهمن‏

کریم‏

استاد راهنما

استاد راهنما

استاد مشاور

استاد مشاور

‏تبریز