Research on Animal Production

fa شناسایی ژن‌های هاب درگیر در بیماری ورم پستان در گاوهای هلشتاین با تجزیه داده‌های Rna-seqRna-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 مهم‌ترین بیماری‌ها در گله‌‌های شیری می‌باشد که  هم در دوره خشکی و هم در دوره شیردهی دام را درگیر میکند و خسارات اقتصادی زیادی را به دنبال دارد. این بیماری پرهزینهترین بیماری در گاوهای شیری در سطح جهان محسوب می‌شود. با توجه به اهمیت اقتصادی این موضوع، تلاش‌های متعددی بر توسعه روش‌های عملی و مؤثر برای پیشگیری از ورم پستان متمرکز شده است. همچنین در ورم پستان گاوی ناشی از عوامل عفونی، باکتریها میتوانند از طریق شیر و سایر محصولات لبنی به انسان منتقل شوند، که این یک مسئله حیاتی برای سلامتی انسان است. رویکردهای سنتی از جمله تشخیص و درمان ورم پستان و بهبود شرایط بهداشتی در کنترل این بیماری به نتایج مطلوبی دست نیافته است. در نتیجه، اولویت‌های تحقیقاتی فعلی بر توسعه ابزارهایی برای تشخیص سریع و دقیق ورم پستان، همراه با استراتژی‌هایی برای افزایش سلامت پستان در گاوها تأکید دارند. این پیشرفت‌ها برای اطمینان از تولید بالای شیر، که از عوامل تعیین‌کننده سودآوری در گاوداری شیری  هستند، ضروری به نظر میرسد. شایع‌ترین علت، باکتری‌ها هستند که به دو دسته مسری و محیطی طبقه‌بندی می‌شوند. استافیلوکوکوس اورئوس، استرپتوکوک آگالاکتیه، استرپتوکوک اوبریس، اشریشیا کلی و کلبسیلا پنومونیه شایع‌ترین پاتوژن‌های مرتبط با ورم پستان هستند. مقاومت به ورم پستان یک صفت پیچیده است که تحت تأثیر ژن‌های متعدد قرار دارد. با توجه به افزایش مقاومت ضد میکروبی، توسعه درمان‌های جایگزین برای ورم پستان گاوی ضروری است. پیشرفت‌های فناوری‌های توالی‌یابی نسل بعدی، فرصتی برای روشن شدن مکانیسم‌های ژنتیکی زمینه‌ساز ورم پستان فراهم می‌کند. هدف از این مطالعه بررسی رویکرد سیستم‌های مبتنی بر شبکه و شناسایی ژنهای هاب بهمنظور کشف بینش‌ عمیق‌تر کنترل ژنتیکی این بیماری میباشد. مواد و روش‌ها: نمونهها برای تجزیه و تحلیل بیان ژن شامل شش تکرار بیولوژیکی از شیر گاوهای سالم و شش تکرار شیر مربوط به گاوهای 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 ژنها از نرمافزار GEO2R استفاده شد. از دو معیار (|log2 fold-change (FC)| > 2) و adj p-value <0.05 برای شناسایی بیان متفاوت ژن‌ها استفاده شد.  برای شناسایی هستی‌شناسی ژن و مسیرها از ابزار  DAVIDاستفاده شد. هستیشناسی ژن (GO) یک چارچوب استاندارد برای طبقهبندی عملکردهای ژن در سطح جهانی ارائه میدهد. در این مطالعه، از GO برای درک نقشها و عملکرد ژن‌ها‌ استفاده شد. ژن‌ها بر اساس هستیشناسی به سه دسته تقسیمبندی می‌شوند: BP(Biological Processes)، MF(Molecular Functions) و CC(Cellular Components). این اجزا به ترتیب شامل فرآیندهای بیولوژیکی، عملکردهای مولکولی و سلولی هستند. در نهایت برای شناسایی ژنهای هاب از افزونه CytoHubba نرم افزار Cytoscape با روش DEGREE استفاده شد. یافته‌ها: در مجموع 707 ژن بیان متفاوت داشته که تعداد 271 ژن با بیان پایین و 436 ژن با بیان بالا در مقایسه نمونه‌های 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 عنوان ژن‌های ‌هاب شناخته شدند. تجزیه تحلیل ژنهای شناسایی شده 99 مسیر مرتبط با ورم پستان را نشان داد که در نمودار 20 مسیری که P-Value<0.05 داشتند مشخص شدهاند. بررسی مسیرهای شناسایی شده معنیدار نشان داد که مسیر سیگنالینگ TNF (TNF signaling pathway) که در پاسخ به التهاب و عفونت فعال می‌شود، مسیر سیگنالینگ TLR (Toll-like receptor signaling pathway) که گیرنده‌های Toll-like (TLR) در شناسایی پاتوژن‌ها (مانند باکتری‌ها) نقش دارند و مسیر سیگنالینگ IL-17 (IL-17 signaling pathway) یک سیتوکین التهابی است و در پاسخ به عفونت‌های باکتریایی و قارچی نقش دارد. این مسیر می‌تواند باعث جذب نوتروفیل‌ها و سایر سلول‌های ایمنی به محل عفونت شود و Th17 (Th17 cell differentiation) که در پاسخ به عفونت‌های باکتریایی و قارچی نقش دارند و با تولید IL-17 باعث تقویت التهاب می‌شوند، نقش عمکردی مهمتری در بیماری ورم پستان گاوی دارند.  بررسی هستیشناسی(GO)  نشان داد که در ورم پستان گاو، فرآیندهای مرتبط با التهاب، پاسخ ایمنی و تنظیم مرگ سلولی (آپوپتوز) به شدت فعال هستند. همچنین، اجزای سلولی مانند شبکه اندوپلاسمی و میتوکندری و فعالیت‌های مولکولی مانند اتصال به سیتوکین‌ها و آنتی‌اکسیدان‌ها نقش مهمی در پاسخ به عفونت و التهاب دارند. این یافته‌ها نشان‌می‌دهد سلول‌ها برای مبارزه با عفونت و کاهش آسیب بافتی در غده پستانی گاو تلاش می‌کنند. نتیجه‌گیری: شناسایی مسیرهای متعدد مرتبط با ورم پستان و همچنین هستیشناسی ژن‌های کاندیدا نشان داد که ورم پستان صفتی بسیار پیچیده است که عوامل مختلفی در آن دخیل هستند. این یافته‌ها اهمیت بالای ژن‌های شناسایی‌شده را در درک مکانیزم‌های بیولوژیکی ورم پستان گاوی نشان می‌دهد. ژن‌های برجسته‌شده در این مطالعه می‌توانند به‌عنوان نشانگرهای زیستی برای ورم پستان عمل کنند.  علاوه بر این ممکن است حاوی واریانتهای نوکلئوتیدی متفاوتی باشند که می‌تواند برای بهبود ژنتیکی و طراحی استراتژی‌های اصلاح نژادی در گاوهای شیری در برابر ورم پستان مورد استفاده قرار گیرند.  </div> <div style="text-align: justify;">Extended abstract Introduction and Objective: 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 cost 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.  Materials and Methods:  The samples for gene expression analysis included 6 biological replicates of milk from healthy cows and 6 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 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. To identify gene ontology and pathways, DAVID was used. Gene Ontology (GO) provides a standard framework for classifying gene functions globally. In this study, we used GO to understand the roles and functions of genes. Genes are 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, to identify hub genes, the DEGREE method of the CytoHubba plugin in Cytoscape software was used. 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, of which 20 pathways with 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 Gene Ontology (GO) analysis showed that in bovine mastitis, processes related to inflammation, immune response, and regulation of cell death (apoptosis) are highly active. Additionally, cellular components such as the endoplasmic reticulum and mitochondria, as well as molecular activities like 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 designing of breeding strategies against mastitis in dairy cows.  </div> آنالیز شبکه, بیان ژن, ورم پستان, هستی‌شناسی Gene expression, Mastitis, Ontology, Pathway analysis 0 0 http://rap.sanru.ac.ir/browse.php?a_code=A-10-458-14&slc_lang=fa&sid=1 Hamideh NooriSadegh حمیده نوری صادق h.noorisadegh95@gmail.com 100319475328460025939 100319475328460025939 No University of Zabol دانشگاه زابل Gholam Reza Dashab غلامرضا داشاب dashab@uoz.ac.ir 100319475328460025940 100319475328460025940 Yes University of Zabol دانشگاه زابل