文|爱叨叨的小胖

编辑 | 爱叨叨的小胖

背景

繁殖效率可以说是奶牛的一个非常重要的经济特征，生殖效率低下导致产犊间隔增加，非自愿扑杀率增加，产奶量减少遗传进程延迟等问题。所有这些都造成了重大的经济损失。因此，很明显，提高繁殖性能对全世界的乳制品业是至关重要的。

大多数生殖研究都集中在奶牛的生育能力上，而公牛的生育能力在很大程度上被忽略了。事实上，一些研究报告称，有很大比例的生殖失败可归因于公牛生育能力低下的。

因此在旨在提高奶牛繁殖性能的育种计划中，不应忽视服务父系的生育能力。

越来越多的证据表明，遗传因素可以解释奶牛后代之间生育能力的部分差异，事实上一些精液的产生和质量特征，如精子浓度、精子活力和异常精子的百分比，具有中等到高的遗传力。

此外，一些转录组学和蛋白质组学研究，揭示了高生育力和低生育力公牛的精子之间存在许多差异。多种替代方法，已被用于识别与公牛生育能力相关的遗传多态性，事实上，候选基因研究和全基因组扫描，都已经确定了与服务父系生育能力相关的重要基因组区域和个体基因。

例如，使用比较基因组学方法，两个保守的精子发生基因，MAP1B和PPP1R11，与霍尔斯坦蛋白的雄性生育能力有关，最近的一项研究已经发现与公牛精子功能相关的β-防御素和FOXJ3基因的新基因变异。

本研究小组已经确定了，BTA21和BTA25中与美国荷斯坦公牛的父系生育能力密切相关的区域，这些区域包含了在精子发生和受精中发挥已知作用的基因。鉴于这些关联研究只检测到最重要的标记，因此绝大多数变异仍然隐藏着，一些研究已经使用基于路径的方法探索了公牛生育力，这是一种基于测试功能相关基因集关联的方法。

这些基于途径的研究揭示了生物学过程和分子机制，可能部分解释了牛的雄性生育能力差异。总的来说，目前的证据表明，公牛的生育能力受到遗传因素的影响，因此它可以通过遗传手段得到改善。

值得注意的是，关联研究主要集中在具有加性效应的遗传变异的识别上，另一方面，非加性遗传效应一般会受到较少的关注，而且非加性效应对复杂性状的相对重要性仍存在争议。

人们认为，非加性效应对与适合度密切相关的性状非常重要，包括繁殖。因此，我们研究的主要目的是：调查非加性效应对荷斯坦牛繁殖中父系的重要性，采用父系受孕率作为衡量父系生育能力的一种方法；采用一种有效的基于两步混合模型的方法，在全基因组范围内研究非加性效应，即显性、隐性和超显性效应对SCR的相关性。

方法：表型和基因型数据

自2008年8月以来，美国乳制品业获得了一项称为父系怀孕率的全国服务父系生育率表型评估。

这种公牛生育力评估完全基于奶牛田间数据，目前的模型不仅考虑了与被评估公牛密切相关的因素，还考虑了与接受精液单位相关的不同因素，乳牛的年龄、胎次和产奶量。

性状SCR被定义为：一个给定的公牛、与所有其他被评估的公牛的平均值相比的受孕率的预期差异。

在这次研究共使用了7458只具有SCR数据的荷斯坦公牛，男性受孕率值范围从?16.6%到+ 14.1%。这些SCR记录来自于2008年8月至2017年8月期间提供给美国乳制品行业的27项连续评估。

7458头荷斯坦牛的全基因组单核苷酸多态性数据由合作乳制品DNA存储库提供，映射到性染色体、单型或等位基因频率小于1%的标记被从数据集中删除，数据编辑后，共保留了57,838个SNP标记用于后续分析。

图1提供了一个概述的替代遗传效应，考虑一个SNP位点与两个等位基因a和b在每个场景中，SNP基因型可以表示使用一个数字变量，因此这四个影响可以很容易地测试在全基因组范围内使用替代单标记回归。

为了检验加性效应，即等位基因拷贝数与表型之间存在线性关系，三种可能的SNP基因型可以编码为AA编码为0，AB编码为1，BB编码为2，在显性效应的情况下，AA的SNP基因型可表示为0，AB为1，BB为1。

注意在这种情况下，我们正在测试参考等位基因的单个副本是否与两个副本对表型具有相同的影响。相反对于隐性效应，我们想检验参考等位基因的零拷贝是否与单拷贝具有相同的效应，因此SNP基因型编码为AA编码为0，AB编码为0，BB编码为1。

最后，为了评价超显性效应，即当两个纯合基因型对表型的影响相同，但杂合基因型增加或减少性状时，AA和BB的SNP位点编码为0，AB编码为1。接下来我们结合这些信息拟合了两个模型来进行本次研究实验。

第一步，拟合了不包含SNP的模型y = Xβ + Zu + e，假设随机效应为多变量正态态，采用u～Ne0；Gσ2 uT和e～Ne0；Iσ2 eT，其中G为基因组关系矩阵，I为单位矩阵。请注意由于计算上的原因，在分析中没有考虑SCR值的可靠性，因此，R矩阵被简化为一个单位矩阵，然后将方差-协方差矩阵估计为V0?ZGZ0 σ2 utIσ2 e。

在第二步中，对每个SNP，y = Xβ + XSNPβSNP +?进行拟合以下模型，假设e～Ne0；Voσ2 eT。使用以下检验统计量来评估所考虑的SNP效应的显著性，它近似于沃尔德检验因此是渐近标准正态。

使用R包GenABEL中实现的功能VIFGC，应用基因组控制程序来校正测试统计量的可能膨胀，Bonferroni校正用于多重试验的对照。

结果与讨论

提高繁殖性能，仍然是奶牛的一个主要目标，父系已被认为是影响群体生育能力的一个重要因素。

选择性育种是提高公牛生育能力的一种策略，事实上，最近的研究已经确定并评估了潜在的与生育率相关的生物标志物，可用于选择高生育率的公牛。

应该认识到的是，基因定位研究主要集中在具有加性效应的遗传变异上，而非加性效应的作用在很大程度上被忽视了。

然而该理论表明，非加性效应可能对与健康相关的性状很重要，如生育能力等，因此本研究是专门调查非加性遗传效应对父系受孕率的相关性，美国国家奶牛生育力表型评估。

显著的非加性效应

我们本次研究中，显示了检测对SCR的显性、隐性和超显性效应的全基因组单标记扫描的结果。分布在BTA8、BTA9、BTA13和BTA17染色体上的4个不同的基因组区域，经Bonferroni校正后表现出显著的显性或隐性效应。

表1详细描述了最显著的SNP位点，包括位置、等位基因、基因型频率以及遗传效应，重要的是，这些位点显示出可忽略的加性效应，因此我们可以推断这些标记的基因作用模式纯粹是非加性的，这些标记之间的连锁不平衡模式如图3所示。

与预期的一样，不同染色体上的标记都处于连锁平衡状态，然而在同一基因组区域的标记是高度相关。因此，它们很可能代表相同的遗传信号。对于超显性效应，经过多次检验校正后，未检测到显著的标记。

4个具有显著显性效应的SNP位点的SCR值分布，在我们之前的实验图中所示，这些盒状图清楚地表明，AB和BB基因型比AA基因型具有更高的SCR值。

值得注意的是，SCR平均值之间的差异大约是1.5点和2点，这取决于位点。换句话说，这些位点都解释了观察到的AB/BB和AA公牛受孕率的差异。

在重要区域内的候选基因

我们在本次研究中发现，BTA8位于73-76Mb的显著区域中至少有两个候选基因，即ADAM28和DNAJA1，它们可能与服务父系的育性直接相关，ADAM28基因编码分解蛋白和金属蛋白酶家族的一员，这是一组膜蛋白，涉及细胞-细胞和细胞-基质相互作用的各种生物过程，包括配子体发生和受精。

特别是，ADAM28主要在附睾中表达，表明其在精子成熟过程中的中起直接作用，此外DNAJA1基因是DnaJ家族的一员，这是一组分子伴侣，协助其他蛋白质折叠、运输和组装成复合物。

有趣的是研究表明，DNAJA1通过调节支持细胞中的雄激素受体信号通路，在睾丸发育和精子发生中发挥重要作用。事实上，小鼠DNAJA1功能的丧失导致支持细胞中雄激素受体蛋白的积累，这反过来过度激活雄激素受体信号通路，导致睾丸性腺功能减退和精子发生的严重缺陷。

至少有4个公认的公牛育性候选基因，TBC1D20、SPO11、RAD21L1和BCL2L1，位于BTA13中检测到的58-62Mb的显著区域，基因TBC1D20编码一种gtpase激活蛋白，该蛋白直接涉及精子生物学，特别是在顶体组装中。

事实上，小鼠体内TBC1D20基因的破坏导致顶体形成缺陷，进而导致男性不育。此外，其中两个候选基因SPO11和RAD21L1也直接参与了减数分裂，这是配子体发生的关键步骤，SPO11基因是一种拓扑异构酶样蛋白，负责在减数分裂重组过程中发生的DNA双链断裂的形成。

在小鼠中研究表明，SPO11的破坏会导致严重的性腺异常，包括在减数分裂早期期间精母细胞的凋亡死亡，而最近的一项人类病例对照研究发现，SPO11的第7外显子中的一个SNP与男性不育显著相关。

另一方面，RAD21L1编码一种蛋白质，该蛋白质是大型多亚基复合物的一部分，称为内聚蛋白，在减数分裂染色体动力学的许多方面发挥重要作用，最近有证据表明，RAD21L1与雄性减数分裂有关；事实上，小鼠中RAD21L的破坏排除了同源染色体的最初关联以及精母细胞中随后的配对。

最后，BCL2L1编码BCL-2蛋白家族的一个成员，这是一组被充分研究的蛋白，可以促进或抑制凋亡。值得注意的是，BCL2L1直接参与了睾丸中生殖系凋亡的调控。

BTA17位于64-68Mb的区域包含两个公认的服务父系育性基因，PIWIL3和TMEM119。PIWIL3基因编码PIWI家族的一个成员，这是一组似乎局限于生殖系的蛋白质，并与生殖细胞特异性小rna的一个亚类结合。

这些蛋白对于精子发生控制转录后事件、随后的翻译以及对转座子的控制是必不可少的，值得注意的是，PIWIL3中的一个非同义SNP与牛中少精子症风险的改变显著相关，此外TMEM119编码一种积极参与成骨细胞分化的跨膜蛋白。

最近的研究表明，TMEM119也会影响不同的男性生育能力，TMEM119基因在发育中的睾丸的精母细胞和精子细胞中表达，而TMEM119缺陷的小鼠显示睾丸发育和精子发生受损，导致睾丸重量和精子数量均显著下降。

目前的证据表明，TMEM119的缺失扰乱了晚期精子的发生，特别是在圆形精子细胞的期。

结语

在本研究中，我们调查了非加性效应对荷斯坦牛公牛肥力的相关性。BTA8、BTA9、BTA13和BTA17的4个基因组区域均表现出明显的显性和隐性效应，这些区域包含了在男性生育能力中发挥已知作用的基因，包括睾丸发育、精子发生和精子成熟。

总的来说，我们的研究结果为与男性生育能力等健康密切相关的性状的非加性效应的相关性提供了更多的证据。此外，这些发现可能有助于开发通过选择性育种和标记辅助选择来提高父系生育能力的新策略。