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绵羊全基因组CNV与部分性状的关联分析

作　者: 刘佳森
导　师: 杜立新
学　校: 中国农业科学院
专　业: 动物遗传育种与繁殖
关键词: 绵羊 拷贝数变异 单核苷酸多态 基因组 全基因组关联研究 复杂性状
分类号: S826
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


拷贝数变异（copy number variation，CNV）是指DNA片段大小介于1kb到数兆范围内的缺失，插入、重复和复杂多位点的变异。研究表明，CNV广泛存在于包括人类在内的动植物基因组。由于CNV所涉及基因组中覆盖的核苷酸总数超过了SNP的总数,可通过基因剂量和基因调控区域的改变影响基因的表达、表型变异以及进化适应性，是遗传变异和表型差异的重要来源，在复杂性状的发生发展中起着重要的作用。绵羊的生长发育性状受到基因和环境共同作用的影响，寻找DNA分子差异及其对应的基因是绵羊遗传育种的关注点之一，其中CNV对表型构成及疾病发生的调控作用已成为研究的热点。CNV与GWAS（genome wide association study）的结合为揭示复杂性状的遗传基础提供了重要的途径。为此，本研究利用illumina的高密度Ovine SNP50K BesdChip芯片对绵羊基因组进行分型，通过PennCNV软件检测拷贝数变异在绵羊基因组的分布特征，并首次构建了基于SNP分型数据的绵羊全基因组CNV图谱。研究结果显示，经过严格的质量控制，共检测出238个CNVRs，包括219个缺失事件（Loss），13个获得事件（Gain），6个既有缺失又有获得事件（Both），平均大小和中位数大小分别253.57kb和186.92kb，大小范围13.66kb～1.30Mb。经另一个CNV检测软件—CNVpartition进行相互验证，一共检测出52个CNVR，其中47个CNVR与PennCNV软件推断结果一致。这些CNVR在染色体上呈现非随机分布特点，每条常染色体均检测出CNVR的存在，其中富集CNVR最多的染色体为1、2和5。群体频率大于3%的CNVR有75个，这些CNVR与邻近SNP标记进行连锁不平衡分析表明，仅有两个CNVR被邻近SNP所标签，提示在illumina分型平台上，绝大多数CNVR未被邻近SNP所标签。对检测的CNVR进行基因含量注释和功能富集（GO）分析表明，发现多数基因富集于嗅觉、感官知觉、化学刺激、识别、神经系统的传递进程等环境应答相关的基因，另有一些基因与信号转导、信号通路、细胞分化与凋亡及GTP酶的活性等有关。为了判断CNV检测的准确性，选择10个CNVR进行定量PCR的验证，其中5个CNVR区域验证成功。本研究发现的CNV对了解绵羊基因组结构特征，填补绵羊基因组CNV精细图谱，加快绵羊育种的遗传进展以及CNV作为关联研究中潜在的遗传标记揭示表型变异提供重要的基础。为更好的揭示CNV在绵羊生长发育中的作用，本研究在绵羊全基因组CNV分析的基础上，对检测出的CNVR进行了重新定义，共得到402个新的CNVR，其中143个CNVR（群体频率>3%）定义为CNP（copy number polymorhism），对绵羊初生重、125天校正日龄重（断奶重）、190天校正日龄重（六月龄重）、断奶前日增重、断奶后日增重、平均日增重、体高、胸围和管围等11个性状表型进行了全基因组CNP的关联分析。采用混合线性模型对上述11个性状表型的CNP关联结果显示，共32个CNP区域与各表型性状显著关联（P<0.05），其中5个CNP与初生重显著相关，2个CNP与125天校正日龄重显著相关，9个CNP与190天校正日龄重显著相关，6个CNP与背膘厚度显著相关，3个CNP与眼肌面积显著相关，3个CNP与断奶前日增重显著相关，8个CNP与断奶后日增重显著相关，10个CNP与平均日增重显著相关，10个CNP区域与体高显著相关，5个CNP与胸围显著相关，5个CNP与管围显著相关。这些显著关联区域，经过FDR（false discovery rate）多重检验校正，除断奶后日增重关联的CNP-393在基因组水平显著外（p<0.05），其余CNP均不显著。另外，多数CNP区域影响多个性状，同时一些性状也受到多个CNP区域的影响，说明上述性状表型受到多微效基因的影响，并且各性状之间存在一定的遗传相关。研究结果还发现绵羊21号染色体上位于52788004～52907062区间的CNP-210对125天校正日龄重、190天校正日龄重、断奶前日增重、平均日增重以及体高性状显著关联。尤其是位于此区域上的NADSYN1和MRGPRG基因可能在绵羊生长发育过程中起着重要的作用。研究结果同时发现，基因组水平显著的CNP-393区域（绵羊9号染色体：76545109～76642439）的上游4.5Mb处的TRHR基因可能通过骨骼肌的发育调控作用，进而影响羔羊生长发育性状。本研究表明，CNP210和CNP-393可能是影响羔羊生长发育的两个遗传变异区域，可作为候选区域进一步进行功能验证和分析。综上，通过我们对绵羊全基因组CNV的分析，为了解绵羊复杂性状表型变异的遗传基础提供了新的思路，有助于对绵羊基因组的特征更加全面的了解，为进一步揭示绵羊生长发育遗传变异提供了重要的信息

全文目录


摘要  6-8
Abstract  8-13
英文缩略表  13-14
第一章 绪论  14-33
  1.1 拷贝数变异研究进展  14-25
    1.1.1 CNV 的生物学功能  15-16
    1.1.2 CNV 的检测方法  16-19
    1.1.3 CNVs 在人类复杂疾病/性状中的研究  19
    1.1.4 拷贝数变异在畜禽研究中的进展  19-25
  1.2 复杂性状的遗传学研究方法和策略  25-31
    1.2.1 连锁分析  25-26
    1.2.2 候选基因关联研究  26
    1.2.3 全基因组关联研究  26-31
  1.3 本研究的目的和意义  31-33
第二章 绵羊全基因组拷贝数变异分析  33-66
  2.1 试验材料和方法  33-36
    2.1.1 研究样本  33
    2.1.2 主要仪器设备  33-34
    2.1.3 试剂和溶液配制  34-35
    2.1.4 绵羊基因组 DNA 的提取与质量控制  35-36
  2.2 基因分型及质量控制  36-40
    2.2.1 芯片扫描  36-39
    2.2.2 实验控制  39
    2.2.3 分型数据  39
    2.2.4 数据质量控制  39-40
  2.3 CNV 的检测  40-46
    2.3.1 CNV 的检测原理与软件  40-41
    2.3.2 CNV 检测文件的准备  41-42
    2.3.3 CNV 的质量控制  42
    2.3.4 CNV 区域（CNV Region, CNVR ）  42
    2.3.5 拷贝数多态（CNP）与邻近 SNPs 的连锁不平衡（LD）分析  42-43
    2.3.6 基因注释与功能富集分析  43
    2.3.7 CNV 的 q-PCR 验证  43-46
  2.4 结果与分析  46-59
    2.4.1 基因组 DNA 检测结果  46
    2.4.2 SNP 分型及质量控制结果  46
    2.4.3 样本个体 CNV 的推断  46-47
    2.4.4 基因组 CNVR 的分布特征  47-51
    2.4.5 CNV 图谱的构建  51-53
    2.4.6 CNVR 的功能富集分析  53
    2.4.7 CNP 与邻近 SNP 的连锁不平衡  53-56
    2.4.8 定量 PCR 验证  56-59
  2.5 讨论  59-66
    2.5.1 CNV 检测环境的优化  60
    2.5.2 CNV 的全基因组检测  60-62
    2.5.3 其他 CNV 研究的比较  62
    2.5.4 CNP 与邻近 SNP 的连锁不平衡  62-63
    2.5.5 基因含量与功能分析  63-64
    2.5.6 定量 PCR 的验证  64
    2.5.7 小结  64-66
第三章 绵羊部分性状的全基因组 CNV 关联研究  66-94
  3.1 材料与方法  66-72
    3.1.1 动物群体的构建  66
    3.1.2 主要仪器设备  66-67
    3.1.3 分析软件及在线网站数据库  67-68
    3.1.4 血样采集  68
    3.1.5 基因组 DNA 提取及质量控制  68-69
    3.1.6 性状表型的测定  69
    3.1.7 SNP 分型数据  69-70
    3.1.8 CNV 的分型  70
    3.1.9 数据处理  70-71
    3.1.10 关联研究的统计学分析  71-72
  3.2 结果与分析  72-89
    3.2.1 基因组 DNA 的质量控制  72
    3.2.2 SNPs 分型数据的质控  72-73
    3.2.3 表型的描述性统计分析  73
    3.2.4 群体分层分析  73-75
    3.2.5 CNV 的关联研究结果  75-86
    3.2.6 显著性关联区域的注释及功能分析  86-89
  3.3 讨论  89-94
    3.3.1 基于 CNP 关联研究的统计学策略  89-90
    3.3.2 全基因组关联研究结果  90-93
    3.3.3 小结  93-94
第四章 全文结论  94-96
  4.1 结论  94
  4.2 展望  94-96
参考文献  96-107
致谢  107-108
作者简介  108-109
附录  109-122

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中图分类: > 农业科学 > 畜牧、动物医学、狩猎、蚕、蜂 > 家畜 > 羊
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