دوره 17، شماره 2 - ( تابستان 1405 )
جلد 17 شماره 2 صفحات 157-149 |
برگشت به فهرست نسخه ها
Download citation:
BibTeX | RIS | EndNote | Medlars | ProCite | Reference Manager | RefWorks
Send citation to:
BibTeX | RIS | EndNote | Medlars | ProCite | Reference Manager | RefWorks
Send citation to:
Azadeh Torabi A, Roudbari Z. (2026). Investigation of Genes and Regulatory miRNAs Involved in the Pathogenesis of Bovine Mastitis Using Microarray Gene Expression Analysis. Res Anim Prod. 17(2), 149-157. doi:10.61882/rap.2026.1582
URL: http://rap.sanru.ac.ir/article-1-1582-fa.html
URL: http://rap.sanru.ac.ir/article-1-1582-fa.html
ترابی آزاده، رودباری زهرا.(1405). بررسی شبکه ژنها و miRNAهای تنظیمکننده در پاتوژنز ورم پستان گاو ناشی از Escherichia coli به کمک تحلیل بیان ژنی ریزآرای های پژوهشهاي توليدات دامي 17 (2) :157-149 10.61882/rap.2026.1582
1- موسسه تحقیقات علوم دامی کشور، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، کرج، ایران
2- گروه علوم دامی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه جیرفت، جیرفت، ایران
2- گروه علوم دامی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه جیرفت، جیرفت، ایران
چکیده: (862 مشاهده)
چکیده مبسوط
مقدمه و هدف: ورم پستان گاو یکی از شایعترین و پر هزینهترین بیماریهای عفونی در صنعت جهانی دام است و سالانه موجب خسارات اقتصادی قابل توجهی از طریق کاهش تولید شیر، افت کیفیت ترکیبات شیر، افزایش هزینههای درمان، حذف زود هنگام دام و افزایش بار آنتیبیوتیکی میشود. این بیماری با پاسخهای التهابی شدید در غده پستانی همراه است که ناشی از تعامل پیچیده بین پاتوژن، سیستم ایمنی ذاتی و اکتسابی میزبان و تنظیم ژنتیکی و فراژنتیکی مسیرهای مولکولی متعدد است. در میان عوامل بیماریزا، اشرشیا کلی (E. coli) یکی از مهمترین باکتریهای مولد ورم پستان حاد است که با تحریک سریع مسیرهای التهابی، موجب تخریب بافتی و تغییرات گسترده در پروفایل بیان ژن میشود. پیشرفت فناوریهای اُمیکس، به ویژه ریز آرایهها (Microarray) و RNA‑seq، نشان داده است که ورم پستان سبب تغییر بیان در هزاران ژن مرتبط با ایمنیذاتی، پاسخ التهابی، متابولیسم انرژی، چرخه سلولی و بازسازی بافت پستان میشود. با اینحال، بسیاری از مطالعات پیشین عمدتاً بر شناسایی ژنهای متفاوت بیان تمرکز داشتهاند و تحلیل ساختار شبکهای ژنها و نقش تنظیمی miRNAها که بهعنوان تنظیمکنندههای پسارونویسی شناخته میشوند، به صورت یکپارچه مورد بررسی قرار نگرفته است. miRNAها با اتصال به mRNAهای هدف، قادرند به طور همزمان چندین مسیر سیگنال دهی ایمنی و متابولیک را تنظیم کنند و بدین ترتیب نقش کلیدی در تعیین شدت التهاب، تداوم پاسخ ایمنی و پیامدهای بافتی بیماری ایفا نمایند. از این رو، هدف اصلی پژوهش حاضر، شناسایی ژنهای هاب و miRNAهای کلیدی مرتبط با پاتوژنز ورم پستان القا شده توسط E. coli در گاو شیری و بررسی نقش آنها در تنظیم شبکهای مسیرهای ایمنی، التهابی و متابولیکی با استفاده از یک رویکرد بیوانفورماتیکی مبتنی بر شبکه است.
مواد و روشها: در این مطالعه، پروفایل بیان ژنی مربوط به نمونه های بافت غده پستانی گاو مبتلا به ورم پستان ناشی از E. coli از پایگاه داده Gene Expression Omnibus (GEO) تحت شناسه GSE15020 استخراج گردید. تحلیل بیان ژنهای متفاوت بیان با استفاده از ابزار GEO2R انجام شد و ژنها بر اساس معیارهای آماری P-value < 0.05 و (|LogFC|>1) فیلتر شدند تا ژنهای دارای تغییر بیان معنیدار شناسایی گردند. به منظور بررسی تعاملات مولکولی، شبکه برهمکنش پروتئین پروتئین (PPI) با استفاده از پایگاه داده STRING ساخته شد و سپس در محیط نرمافزار Cytoscape مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. شناسایی ژنهای هاب شبکه با بهرهگیری از افزونه cytoHubba و بهکارگیری الگوریتمهای Degree، MCC، MNC و DMNC انجام شد تا ژنهایی که بالاترین اهمیت توپولوژیک و نقش مرکزی را در شبکه دارند، استخراج گردند. در ادامه، برای پیشبینی miRNAهای تنظیمکننده ژنهای هاب، پایگاه داده miRWalk مورد استفاده قرار گرفت و miRNAهایی که به طور مشترک چندین ژن کلیدی را هدف قرار میدادند، انتخاب شدند. این رویکرد امکان ترسیم تعاملات ژن miRNA و تفسیر نقش تنظیمی آنها در مسیرهای سیگنالینگ مرتبط با ورم پستان را فراهم نمود.
یافتهها: نتایج تحلیل بیان متفاوت ژنها منجربه شناسایی 1023 ژن با تغییر بیان معنیدار شدند که از این میان 612 ژن افزایش بیان و 411 ژن کاهش بیان را نشان دادند. تحلیل شبکه PPI ده ژن هاب شامل GAPDH، ALB، CXCL8، IL1B، CCL2، EGFR، PTPRC، PARP12، IFITM3 و XAF1 را بهعنوان اجزای مرکزی شبکه معرفی کرد. این ژنها عمدتاً در مسیرهای کلیدی التهاب، سیگنالینگ کیموکاینها، پاسخ ایمنی ذاتی، تنظیم چرخه سلولی و بقایای مرگ سلولی دخیل هستند. برای نمونه، IL1B یکی از کلیدیترین میانجیهای تب و التهاب است و به عنوان یکی از مهمترین سایتوکاینهای پیشالتهابی نقش اساسی در القای تب، نفوذپذیری عروقی و فعالسازی سلولهای ایمنی ایفا میکند. CXCL8 با تنظیم جذب و فعالسازی نوتروفیلها، در پاسخ ایمنی اولیه علیه عفونت باکتریایی نقش تعیینکننده دارد. همچنین، ALB به عنوان یکی از ژنهای هاب شناسایی شد، که میتواند در قالب پروتئینهای فاز حاد مثبت در شیر، به عنوان یک نشانگر زیستی بالقوه برای تشخیص ورم پستان مورد توجه قرار گیرد. تحلیل miRNAها منجر به شناسایی 45 miRNA مشترک شد که قادر به تنظیم همزمان چندین ژن هاب بودند. در میان آنها، bta-miR-21-3p با هدف قراردادن EGFR و IL1B و تنظیم مسیر PI3K/AKT/NF‑κB نقش مهمی در تشدید پاسخ التهابی دارد. bta-miR-145 با مهار تکثیر سلولهای اپیتلیال پستانی (Mac‑T) و تنظیم IL1B میتواند در تعادل بین التهاب و بازسازی بافت نقش ایفا کند. همچنین، bta-miR-138از طریق مهار مسیر p65/NF‑κB، بیان ژنهای PARP12 و EGFR را تحت تأثیر قرار می دهد و در تنظیم پاسخ ایمنی ضد ویروسی و التهابی مشارکت دارد. این یافتهها نشان میدهند که miRNAها قادرند به صورت هماهنگ مسیرهای التهابی را فعال و مسیرهای متابولیکی مرتبط با عملکرد طبیعی غده پستانی را سرکوب نمایند.
نتیجهگیری: ورم پستان گاو یک فنوتیپ پیچیده، چند عاملی و شبکه محور است که حساسیت یا مقاومت دام به آن حاصل برهمکنش دینامیک ژنها، miRNAها و مسیرهای مولکولی متعدد است. نتایج این مطالعه با بهرهگیری از یک رویکرد بیوانفورماتیکی یکپارچه، ژنها و miRNAهای کلیدی دخیل در پاتوژنز ورم پستان ناشی از E. coli را شناسایی نمودند و نقش محوری مسیرهای ایمنی نظیر JAK/STAT، سیگنالینگ اینترفرون، NF‑Κb و همچنین مسیرهای متابولیکی و میتوکندریایی تحت تنظیم EGFR را برجسته ساختند. یافتههای حاضر میتوانند به عنوان مبنایی برای توسعه نشانگرهای مولکولی تشخیصی، طراحی ابزارهای پیشآگهی، و برنامههای اصلاح نژادی مبتنی بر مقاومت به ورم پستان در گاوهای شیری مورد استفاده قرار گیرند و درک عمیقتری از سازوکارهای مولکولی این بیماری شایع فراهم سازند.
مقدمه و هدف: ورم پستان گاو یکی از شایعترین و پر هزینهترین بیماریهای عفونی در صنعت جهانی دام است و سالانه موجب خسارات اقتصادی قابل توجهی از طریق کاهش تولید شیر، افت کیفیت ترکیبات شیر، افزایش هزینههای درمان، حذف زود هنگام دام و افزایش بار آنتیبیوتیکی میشود. این بیماری با پاسخهای التهابی شدید در غده پستانی همراه است که ناشی از تعامل پیچیده بین پاتوژن، سیستم ایمنی ذاتی و اکتسابی میزبان و تنظیم ژنتیکی و فراژنتیکی مسیرهای مولکولی متعدد است. در میان عوامل بیماریزا، اشرشیا کلی (E. coli) یکی از مهمترین باکتریهای مولد ورم پستان حاد است که با تحریک سریع مسیرهای التهابی، موجب تخریب بافتی و تغییرات گسترده در پروفایل بیان ژن میشود. پیشرفت فناوریهای اُمیکس، به ویژه ریز آرایهها (Microarray) و RNA‑seq، نشان داده است که ورم پستان سبب تغییر بیان در هزاران ژن مرتبط با ایمنیذاتی، پاسخ التهابی، متابولیسم انرژی، چرخه سلولی و بازسازی بافت پستان میشود. با اینحال، بسیاری از مطالعات پیشین عمدتاً بر شناسایی ژنهای متفاوت بیان تمرکز داشتهاند و تحلیل ساختار شبکهای ژنها و نقش تنظیمی miRNAها که بهعنوان تنظیمکنندههای پسارونویسی شناخته میشوند، به صورت یکپارچه مورد بررسی قرار نگرفته است. miRNAها با اتصال به mRNAهای هدف، قادرند به طور همزمان چندین مسیر سیگنال دهی ایمنی و متابولیک را تنظیم کنند و بدین ترتیب نقش کلیدی در تعیین شدت التهاب، تداوم پاسخ ایمنی و پیامدهای بافتی بیماری ایفا نمایند. از این رو، هدف اصلی پژوهش حاضر، شناسایی ژنهای هاب و miRNAهای کلیدی مرتبط با پاتوژنز ورم پستان القا شده توسط E. coli در گاو شیری و بررسی نقش آنها در تنظیم شبکهای مسیرهای ایمنی، التهابی و متابولیکی با استفاده از یک رویکرد بیوانفورماتیکی مبتنی بر شبکه است.
مواد و روشها: در این مطالعه، پروفایل بیان ژنی مربوط به نمونه های بافت غده پستانی گاو مبتلا به ورم پستان ناشی از E. coli از پایگاه داده Gene Expression Omnibus (GEO) تحت شناسه GSE15020 استخراج گردید. تحلیل بیان ژنهای متفاوت بیان با استفاده از ابزار GEO2R انجام شد و ژنها بر اساس معیارهای آماری P-value < 0.05 و (|LogFC|>1) فیلتر شدند تا ژنهای دارای تغییر بیان معنیدار شناسایی گردند. به منظور بررسی تعاملات مولکولی، شبکه برهمکنش پروتئین پروتئین (PPI) با استفاده از پایگاه داده STRING ساخته شد و سپس در محیط نرمافزار Cytoscape مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. شناسایی ژنهای هاب شبکه با بهرهگیری از افزونه cytoHubba و بهکارگیری الگوریتمهای Degree، MCC، MNC و DMNC انجام شد تا ژنهایی که بالاترین اهمیت توپولوژیک و نقش مرکزی را در شبکه دارند، استخراج گردند. در ادامه، برای پیشبینی miRNAهای تنظیمکننده ژنهای هاب، پایگاه داده miRWalk مورد استفاده قرار گرفت و miRNAهایی که به طور مشترک چندین ژن کلیدی را هدف قرار میدادند، انتخاب شدند. این رویکرد امکان ترسیم تعاملات ژن miRNA و تفسیر نقش تنظیمی آنها در مسیرهای سیگنالینگ مرتبط با ورم پستان را فراهم نمود.
یافتهها: نتایج تحلیل بیان متفاوت ژنها منجربه شناسایی 1023 ژن با تغییر بیان معنیدار شدند که از این میان 612 ژن افزایش بیان و 411 ژن کاهش بیان را نشان دادند. تحلیل شبکه PPI ده ژن هاب شامل GAPDH، ALB، CXCL8، IL1B، CCL2، EGFR، PTPRC، PARP12، IFITM3 و XAF1 را بهعنوان اجزای مرکزی شبکه معرفی کرد. این ژنها عمدتاً در مسیرهای کلیدی التهاب، سیگنالینگ کیموکاینها، پاسخ ایمنی ذاتی، تنظیم چرخه سلولی و بقایای مرگ سلولی دخیل هستند. برای نمونه، IL1B یکی از کلیدیترین میانجیهای تب و التهاب است و به عنوان یکی از مهمترین سایتوکاینهای پیشالتهابی نقش اساسی در القای تب، نفوذپذیری عروقی و فعالسازی سلولهای ایمنی ایفا میکند. CXCL8 با تنظیم جذب و فعالسازی نوتروفیلها، در پاسخ ایمنی اولیه علیه عفونت باکتریایی نقش تعیینکننده دارد. همچنین، ALB به عنوان یکی از ژنهای هاب شناسایی شد، که میتواند در قالب پروتئینهای فاز حاد مثبت در شیر، به عنوان یک نشانگر زیستی بالقوه برای تشخیص ورم پستان مورد توجه قرار گیرد. تحلیل miRNAها منجر به شناسایی 45 miRNA مشترک شد که قادر به تنظیم همزمان چندین ژن هاب بودند. در میان آنها، bta-miR-21-3p با هدف قراردادن EGFR و IL1B و تنظیم مسیر PI3K/AKT/NF‑κB نقش مهمی در تشدید پاسخ التهابی دارد. bta-miR-145 با مهار تکثیر سلولهای اپیتلیال پستانی (Mac‑T) و تنظیم IL1B میتواند در تعادل بین التهاب و بازسازی بافت نقش ایفا کند. همچنین، bta-miR-138از طریق مهار مسیر p65/NF‑κB، بیان ژنهای PARP12 و EGFR را تحت تأثیر قرار می دهد و در تنظیم پاسخ ایمنی ضد ویروسی و التهابی مشارکت دارد. این یافتهها نشان میدهند که miRNAها قادرند به صورت هماهنگ مسیرهای التهابی را فعال و مسیرهای متابولیکی مرتبط با عملکرد طبیعی غده پستانی را سرکوب نمایند.
نتیجهگیری: ورم پستان گاو یک فنوتیپ پیچیده، چند عاملی و شبکه محور است که حساسیت یا مقاومت دام به آن حاصل برهمکنش دینامیک ژنها، miRNAها و مسیرهای مولکولی متعدد است. نتایج این مطالعه با بهرهگیری از یک رویکرد بیوانفورماتیکی یکپارچه، ژنها و miRNAهای کلیدی دخیل در پاتوژنز ورم پستان ناشی از E. coli را شناسایی نمودند و نقش محوری مسیرهای ایمنی نظیر JAK/STAT، سیگنالینگ اینترفرون، NF‑Κb و همچنین مسیرهای متابولیکی و میتوکندریایی تحت تنظیم EGFR را برجسته ساختند. یافتههای حاضر میتوانند به عنوان مبنایی برای توسعه نشانگرهای مولکولی تشخیصی، طراحی ابزارهای پیشآگهی، و برنامههای اصلاح نژادی مبتنی بر مقاومت به ورم پستان در گاوهای شیری مورد استفاده قرار گیرند و درک عمیقتری از سازوکارهای مولکولی این بیماری شایع فراهم سازند.
فهرست منابع
1. Chin, C. H., Chen, S. H., Wu, H. H., Ho, C. W., Ko, M. T., & Lin, C. Y. (2014). cytoHubba: identifying hub objects and sub-networks from complex interactome. BMC Systems Biology, 8(Suppl 4), S11. [DOI:10.1186/1752-0509-8-S4-S11]
2. Duarte, C. M., Freitas, P. P., & Bexiga, R. (2015). Technological advances in bovine mastitis diagnosis: an overview. Journal of Veterinary Diagnostic Investigation, 27(6), 665-672. [DOI:10.1177/1040638715603087]
3. Farhangfar, & Behdani, H. (2018). Identification of microRNAs, target genes and signaling pathways related to milk production using RNA-seq. Ruminant Research Journal, 5(4), 73-86. [DOI:10.22069/ejrr.2017.13918.1582]
4. Guerra, C., Johal, K., Morris, D., Moreno, S., Alvarado, O., Gray, D., Tanzil, M., Pearce, D., & Venketaraman, V. (2012). Control of Mycobacterium tuberculosis growth by activated natural killer cells. Clinical & Experimental Immunology, 168(1), 142-152. [DOI:10.1111/j.1365-2249.2011.04552.x]
5. Jaiswal, S., Jagannadham, J., Kumari, J., Iquebal, M. A., Gurjar, A. K. S., Nayan, V., Angadi, U. B., Kumar, S., Kumar, R., & Datta, T. K. (2021). Genome wide prediction, mapping and development of genomic resources of mastitis associated genes in water buffalo. Frontiers in Veterinary Science, 8, 593871. [DOI:10.3389/fvets.2021.593871]
6. Jensen, K., Günther, J., Talbot, R., Petzl, W., Zerbe, H., Schuberth, H. J., Seyfert, H. M., & Glass, E. J. (2013). Escherichia coli-and Staphylococcus aureus-induced mastitis differentially modulate transcriptional responses in neighbouring uninfected bovine mammary gland quarters. BMC Genomics, 14(1), 36. [DOI:10.1186/1471-2164-14-36]
7. Lawless, N., Foroushani, A. B. K., McCabe, M. S., O'Farrelly, C., & Lynn, D. J. (2013). Next generation sequencing reveals the expression of a unique miRNA profile in response to a gram-positive bacterial infection. PloS One, 8(3), e57543. [DOI:10.1371/journal.pone.0057543]
8. Leyva‐Baca, I., Schenkel, F., Sharma, B. S., Jansen, G. B., & Karrow, N. A. (2007). Identification of single nucleotide polymorphisms in the bovine CCL2, IL8, CCR2 and IL8RA genes and their association with health and production in Canadian Holsteins. Animal Genetics, 38(3), 198-202. [DOI:10.1111/j.1365-2052.2007.01588.x]
9. Li, W., Li, C., Lu, J., & Zhao, Y. (2020). MiR-145 is involved in the proliferation of bovine mammary epithelial cells and regulates bovine insulin receptor substrate 1. Italian Journal of Animal Science, 19(1), 536-543. [DOI:10.1080/1828051X.2020.1732234]
10. Mitterhuemer, S., Petzl, W., Krebs, S., Mehne, D., Klanner, A., Wolf, E., Zerbe, H., & Blum, H. (2010). Escherichia coli infection induces distinct local and systemic transcriptome responses in the mammary gland. BMC Genomics, 11(1), 138. [DOI:10.1186/1471-2164-11-138]
11. Naserkheil, M., Ghafouri, F., Zakizadeh, S., Pirany, N., Manzari, Z., Ghorbani, S., Banabazi, M. H., Bakhtiarizadeh, M. R., Huq, M. A., & Park, M. N. (2022). Multi-omics integration and network analysis reveal potential hub genes and genetic mechanisms regulating bovine mastitis. Current Issues in Molecular Biology, 44(1), 309-328. [DOI:10.3390/cimb44010023]
12. Ogorevc, J., Kunej, T., Razpet, A., & Dovc, P. (2009). Database of cattle candidate genes and genetic markers for milk production and mastitis. Animal Genetics, 40(6), 832-851. [DOI:10.1111/j.1365-2052.2009.01921.x]
13. Raufian, P., Shodja Ghyas, J., Jafari, R., Moghaddam, G., & Javanmard, A. (2018). Identification of genetic variation in two candidate genes of TLR2 and TNFα and its association with mastitis in Holstain Cattle. Research on Animal Production, 8(18), 147-154. [In Persian] [DOI:10.29252/rap.8.18.147]
14. Roussel, P., Cunha, P., Porcherie, A., Petzl, W., Gilbert, F. B., Riollet, C., Zerbe, H., Rainard, P., & Germon, P. (2015). Investigating the contribution of IL-17A and IL-17F to the host response during Escherichia coli mastitis. Veterinary Research, 46(1), 56. [DOI:10.1186/s13567-015-0201-4]
15. Sharifi, S., Pakdel, A., Ebrahimi, M., Reecy, J. M., Fazeli Farsani, S., & Ebrahimie, E. (2018). Integration of machine learning and meta-analysis identifies the transcriptomic bio-signature of mastitis disease in cattle. PLoS One, 13(2), e0191227. [DOI:10.1371/journal.pone.0191227]
16. Shirazi, B. S., Rabbani, V., Safi, S., Bolourchi, M., & Ameri, M. (2011). Determination of the diagnostic value of positive and negative acute phase proteins of the milk as new and reliable biomarkers in bovine subclinical mastitis. Journal of Veterinary Clinical Research, 2(2), 74-87.
17. Veshkini, A., Hammon, H. M., Lazzari, B., Vogel, L., Gnott, M., Tröscher, A., Vendramin, V., Sadri, H., Sauerwein, H., & Ceciliani, F. (2022). Investigating circulating miRNA in transition dairy cows: What miRNAomics tells about metabolic adaptation. Frontiers in Genetics, 13, 946211. [DOI:10.3389/fgene.2022.946211]
18. Zhang, W., Li, X., Xu, T., Ma, M., Zhang, Y., & Gao, M. Q. (2016). Inflammatory responses of stromal fibroblasts to inflammatory epithelial cells are involved in the pathogenesis of bovine mastitis. Experimental Cell Research, 349(1), 45-52. [DOI:10.1016/j.yexcr.2016.09.016]
ارسال پیام به نویسنده مسئول
| بازنشر اطلاعات | |
 |
این مقاله تحت شرایط Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License قابل بازنشر است. |
