Research on Animal Production

fa شناسایی ژن ‎های هاب درگیر در بیماری ورم پستان در گاو های هلشتاین با تجزیه داده ‎های Rna-seq Identification of hub genes involved in mastitis disease in Holstein cows by analysis of RNA-seq data ژنتیک و اصلاح نژاد دام ژنتیک و اصلاح نژاد دام پژوهشي Research <div style="text-align: justify;">چکیده مبسوط مقدمه و هدف: ورم پستان گاوی در سطح جهانی یکی از مهم‌ ترین بیماری‌ها در گله‌‌ های شیری است که  هم در دوره خشکی و هم در دوره شیر دهی دام را درگیر می &lrm;کند و خسارات اقتصادی زیادی را به &lrm;دنبال دارد. این بیماری پر هزینه&lrm; ترین بیماری در گاو های شیری در سطح جهان محسوب می‌ شود. با توجه به اهمیت اقتصادی این موضوع، تلاش‌ های متعددی بر توسعه روش‌ های عملی و مؤثر برای پیشگیری از ورم پستان متمرکز شده &lrm;اند. همچنین در ورم پستان گاوی ناشی از عوامل عفونی، باکتری &lrm;ها می &lrm;توانند از طریق شیر و سایر محصولات لبنی به انسان منتقل شوند، که این یک مسئله حیاتی برای سلامتی انسان است. رویکرد های سنتی از جمله تشخیص و درمان ورم پستان و بهبود شرایط بهداشتی در کنترل این بیماری به نتایج مطلوبی دست نیافته &lrm;اند. در نتیجه، اولویت‌ های تحقیقاتی فعلی بر توسعه ابزار هایی برای تشخیص سریع و دقیق ورم پستان، همراه با استراتژی‌ هایی برای افزایش سلامت پستان در گاو ها تأکید دارند. این پیشرفت‌ ها برای اطمینان از تولید بالای شیر، که از عوامل تعیین‌ کننده سود آوری در گاو داری شیری  هستند، ضروری به&lrm;نظر می&lrm; رسند. شایع‌ ترین علت، باکتری‌ ها هستند که به دو دسته مسری و محیطی طبقه‌ بندی می‌ شوند. استافیلوکوکوس اورئوس، استرپتوکوک آگالاکتیه، استرپتوکوک اوبریس، اشریشیا کلی و کلبسیلا پنومونیه شایع‌ ترین پاتوژن‌ های مرتبط با ورم پستان هستند. مقاومت به ورم پستان یک صفت پیچیده است که تحت تأثیر ژن‌ های متعدد قرار دارد. با توجه به افزایش مقاومت ضد میکروبی، توسعه درمان‌ های جایگزین برای ورم پستان گاوی ضروری است. پیشرفت‌ های فناوری‌ های توالی‌ یابی نسل بعدی، فرصتی را برای روشن شدن مکانیسم‌ های ژنتیکی زمینه‌ ساز ورم پستان فراهم می‌ کند. هدف از این مطالعه، بررسی رویکرد سیستم‌ های مبتنی بر شبکه و شناسایی ژن&lrm; های هاب به &lrm;منظور کشف بینش‌ عمیق‌تر کنترل ژنتیکی این بیماری است. مواد و روش‌ ها: نمونه &lrm;ها برای تجزیه و تحلیل بیان ژن شامل شش تکرار بیولوژیکی از شیر گاو های سالم و شش تکرار شیر مربوط به گاو های مبتلا به ورم پستان در جمعیت هلشتاین آلمانی بودند که از مجموعه داده GSE93082 در پایگاه داده GEO استفاده شد. برای کنترل کیفی توالی و تجزیه بیان ژن&lrm; ها از نرم&lrm;افزار GEO2R استفاده شد. از دو معیار (|log2 fold-change (FC)| > 2) و adj p-value <0.05 برای شناسایی بیان متفاوت ژن‌ ها استفاده شد. برای شناسایی هستی‌ شناسی ژن و مسیر ها از ابزار  DAVIDاستفاده شد. هستی &lrm;شناسی ژن (GO) یک چارچوب استاندارد برای طبقه &lrm;بندی عملکرد های ژن در سطح جهانی ارائه می دهد. در این مطالعه، از GO برای درک نقش ها و عملکرد ژن‌ ها‌ استفاده شد. ژن‌ ها بر اساس هستی&lrm; شناسی به سه دسته تقسیم &lrm;بندی می‌ شوند: BP (Biological Processes)، MF (Molecular Functions) و CC (Cellular Components). این اجزا به&lrm;ترتیب شامل فرآیند های بیولوژیکی، عملکرد های مولکولی و سلولی هستند. در نهایت، برای شناسایی ژن&lrm; های هاب از افزونه CytoHubba نرم &lrm;افزار Cytoscape با روش DEGREE استفاده شد. یافته ‌ها: در مجموع، 707 ژن بیان متفاوت داشتند که تعداد 271 ژن با بیان پایین و 436 ژن با بیان بالا در مقایسه نمونه‌ های سالم و مبتلا شناسایی شدند که ارتباط نزدیکی با ورم پستان داشتند. از این میان، تعداد 10 ژن شامل IL1B،TLR4 ، STAT1، STAT3، ICAM1، TLR2،  CD44، MYD88 و PTGS2 بر مبنای روش DEGREE به&lrm;عنوان ژن‌ های ‌هاب شناخته شدند. تجزیه و تحلیل ژن &lrm;های شناسایی شده 99 مسیر مرتبط با ورم پستان را نشان داد که در نمودار 20 مسیری که P-Value < 0.05 داشتند مشخص شدند. بررسی مسیر های شناسایی شده معنی &lrm;دار نشان داد که مسیر سیگنالینگ TNF (TNF signaling pathway) در پاسخ به التهاب و عفونت فعال می‌ شود، مسیر سیگنالینگ TLR (Toll-like receptor signaling pathway) که گیرنده‌ های Toll-like (TLR) در شناسایی پاتوژن‌ ها (مانند باکتری‌ ها) نقش دارند و مسیر سیگنالینگ IL-17 (IL-17 signaling pathway) یک سیتوکین التهابی است و در پاسخ به عفونت‌ های باکتریایی و قارچی نقش دارد. این مسیر می‌ تواند باعث جذب نوتروفیل‌ ها و سایر سلول‌ های ایمنی به محل عفونت شود و Th17 (Th17 cell differentiation) که در پاسخ به عفونت‌ های باکتریایی و قارچی نقش دارد و با تولید IL-17 باعث تقویت التهاب می‌ شود، نقش عملکردی مهم تری در بیماری ورم پستان گاوی دارد. بررسی هستی &lrm;شناسی(GO)  نشان داد که در ورم پستان گاو، فرآیند های مرتبط با التهاب، پاسخ ایمنی و تنظیم مرگ سلولی (آپوپتوز) به&lrm;شدت فعال هستند. همچنین، اجزای سلولی مانند شبکه اندوپلاسمی و میتوکندری و فعالیت‌ های مولکولی مانند اتصال به سیتوکین‌ ها و آنتی‌اکسیدان‌ ها نقش مهمی در پاسخ به عفونت و التهاب دارند. این یافته‌ ها نشان‌ می‌ دهند که سلول‌ ها برای مبارزه با عفونت و کاهش آسیب بافتی در غده پستانی گاو تلاش می‌ کنند. نتیجه‌ گیری: شناسایی مسیر های متعدد مرتبط با ورم پستان و همچنین هستی &lrm;شناسی ژن‌ های کاندیدا نشان می &lrm;دهد که ورم پستان صفتی بسیار پیچیده است که عوامل مختلفی در آن دخیل هستند. این یافته‌ ها اهمیت بالای ژن‌ های شناسایی‌شده را در درک مکانیزم‌ های بیولوژیکی ورم پستان گاوی نشان می‌ دهند. ژن‌های برجسته‌شده در این مطالعه می‌توانند به‌عنوان نشانگر های زیستی برای ورم پستان عمل کنند. علاوه بر این، ممکن است حاوی واریانت&lrm; های نوکلئوتیدی متفاوتی باشند که می‌ توانند برای بهبود ژنتیکی و طراحی استراتژی‌ های اصلاح نژادی در گاوهای شیری در برابر ورم پستان مورد استفاده قرار گیرند. </div> <div style="text-align: justify;">Extended Abstract Background: Bovine mastitis is one of the most important diseases in dairy herds worldwide, affecting cows during dry and lactation periods and causing significant economic losses. This disease is considered the most costly disease in dairy cows globally. Given the economic importance of this issue, numerous research efforts have focused on developing practical and effective methods for preventing mastitis. Additionally, bovine mastitis caused by infectious agents, such as bacteria, can be transmitted to humans through milk and other dairy products, which is a critical health concern for humans. Traditional approaches, including the diagnosis and treatment of mastitis and improving sanitary conditions, have not achieved satisfactory results in controlling this disease. Consequently, current research priorities emphasize the development of tools for the rapid and accurate diagnosis of mastitis, along with strategies to enhance udder health in cows. These advancements are essential to ensure high milk production, which remains a determining factor in the profitability of dairy farming. The most common causes are bacteria, which are classified into contagious and environmental categories. Staphylococcus aureus, Streptococcus agalactiae, Streptococcus uberis, Escherichia coli, and Klebsiella pneumoniae are the most common pathogens associated with mastitis. Mastitis resistance is a complex trait influenced by multiple genes. Given the rise in antimicrobial resistance, the development of alternative treatments for bovine mastitis is crucial. Advances in next-generation sequencing technologies provide an opportunity to elucidate the genetic mechanisms underlying mastitis. This study aims to investigate network-based approaches and identify hub genes to gain deeper insights into the genetic control of this disease. Methods: The samples for gene expression analysis included six biological replicates of milk from healthy cows and six replicates of milk from cows with mastitis in the German Holstein population, which were obtained from the GSE93082 dataset in the GEO database. GEO2R was used for the quality control of sequencing and gene expression analysis. Two criteria (|log2 fold-change (FC)| > 2) and adj p-value < 0.05 were used to identify differentially expressed genes. DAVID was used to identify gene ontology and pathways. Gene Ontology (GO) provides a standard framework for classifying gene functions globally. Moreover, GO was used to understand the roles and functions of genes. Genes were categorized into three groups based on ontology: BP (Biological Processes), MF (Molecular Functions), and CC (Cellular Components). These components respectively include biological processes, molecular functions, and cellular components. Finally, the DEGREE method of the CytoHubba plugin in Cytoscape software was used to identify hub genes. Results: In total, 707 genes exhibited differential expression, with 271 genes showing low expression and 436 genes showing high expression when comparing healthy and infected samples, which had a close association with mastitis. Among these, 10 genes, including IL1B, TLR4, STAT1, STAT3, ICAM1, TLR2, CD44, MYD88, and PTGS2, were identified as hub genes based on the DEGREE method. Analysis of the identified genes revealed 99 pathways related to mastitis, 20 pathways of which, with a P-Value < 0.05, are highlighted in the chart. The analysis of the identified pathways showed that the TNF signaling pathway, which is activated in response to inflammation and infection, the TLR signaling pathway, where Toll-like receptors (TLR) play a role in recognizing pathogens (such as bacteria), and the IL-17 signaling pathway, which is an inflammatory cytokine and plays a role in response to bacterial and fungal infections, were significant. This pathway can attract neutrophils and other immune cells to the site of infection, and Th17 cells, which play a role in response to bacterial and fungal infections and enhance inflammation by producing IL-17, have a more significant functional role in bovine mastitis. The GO analysis showed that processes related to inflammation, immune response, and regulation of cell death (apoptosis) were highly active in bovine mastitis. Additionally, cellular components, such as the endoplasmic reticulum and mitochondria, as well as molecular activities (e.g., cytokine binding and antioxidants), play a significant role in the response to infection and inflammation. These findings indicate that cells are working to combat infection and reduce tissue damage in the bovine mammary gland. Conclusion: The identification of multiple pathways related to mastitis and the ontology of candidate genes has shown that mastitis is a highly complex trait influenced by various factors. These findings highlight the significant importance of the identified genes in understanding the biological mechanisms of bovine mastitis. The highlighted genes in this study can serve as biomarkers for mastitis. In addition, these loci may contain different nucleotide variants that could be used for the genetic improvement and design of breeding strategies against mastitis in dairy cows.  </div> آنالیز شبکه, بیان ژن, ورم پستان, هستی‎شناسی Gene expression, Mastitis, Ontology, Pathway analysis 24 32 http://rap.sanru.ac.ir/browse.php?a_code=A-10-458-14&slc_lang=fa&sid=1 Hamideh Noori Sadegh حمیده نوری صادق h.noorisadegh95@gmail.com 100319475328460026217 100319475328460026217 No Department of Animal Science, Faculty of Agriculture, University of Zabol, Zabol, Iran گروه علوم دامی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه زابل، زابل، ایران Gholam Reza Dashab غلامرضا داشاب dashab@uoz.ac.ir 100319475328460026218 100319475328460026218 Yes Department of Animal Science, Faculty of Agriculture, University of Zabol, Zabol, Iran گروه علوم دامی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه زابل، زابل، ایران