Integration of genome wide association and expression profiling for investigating water holding capacity traits in a Duroc × Pietrain resource population

Abstract

Water holding capacity (WHC) is an important quality criterion for the consumers and the meat processing industries. Therefore, the aim of this study was to investigate WHC traits in the Duroc × Pietrain resource population (DuPi) using genome-wide association and genetical genomics approaches.<br /> In the first step, 169 F2 DuPi animals were genotyped using the porcine 60K SNP chip and four meat quality traits (drip loss, pH1, pH24 and pH decline) were used to investigate the genetic background of WHC. 49, 40, 9 and 33 significant SNP were observed (P < 0.001) for drip loss, pH1, pH24 and pH decline in loin, respectively. Analyses revealed 14 functional candidate genes significantly associated with drip loss. 26, 7 and 22 candidate genes were identified for pH1, pH24 and pH decline, respectively. The genes NELL1 and SOX6 located on SSC2 were significantly associated with drip loss and showed more than 3 point-mutations each with high linkage disequilibrium. The proportion of explained phenotypic variance ranged between 4.4 % and 8.43 % for identified SNP of all four traits. <br /> In the second step, WHC was characterized by drip loss measured in M. longissimus dorsi. Performing expression analyses of transcriptional profiles for 132 F2 DuPi animals revealed 1228 genes, which were significantly correlated with drip loss. A hyper geometric gene set enrichment test was performed and glycolysis/glyconeogenesis, pentose phosphate pathway and pyruvat metabolism were identified as most promising pathways. For 267 selected transcripts, eQTL analyses revealed 1541 significant associations in total. Because of positional accordance of the gene underlying transcript and the eQTL location, it was possible to identify 8 eQTL that could be assumed as cis-regulated. Comparing the results of gene set enrichment and the eQTL detection tests, molecular networks and potential candidate genes, which seem to play key roles in the expression of WHC, were detected. <br /> In conclusion, applying a genome wide association analysis using the 60K porcine SNP panel allowed to investigate the genetic background of WHC traits in this study. Combing the genome-wide association analysis with the genetical genomics approach supports to identify WHC trait-associated SNP and to understand the biology of complex traits.

<strong>Integration von genomweiten Assoziations- und Expressionsanalysen zur Untersuchung von Merkmalen des Wasserbindevermögens in einer Duroc × Piétrain Ressourcenpopulation</strong><br /> Wasserbindungsvermögen (WHC) ist ein wichtiges Qualitätskriterium für die Verbraucher und die Fleischverarbeitungsindustrie. Das Ziel dieser Studie war es daher, die Merkmale des Wasserbindungsvermögens in der Duroc × Piétrain Ressourcenpopulation (DuPi) mit Hilfe der genomweiten Assoziations- sowie Ansätzen des „Genetical Genomics“ zu untersuchen. <br /> Im ersten Teil der Studie wurden 169 F2 DuPi Tier mittels des 60K Schweine SNP Chips genotypisiert und 4 Fleischqualitätsmerkmale (Tropfsaft, pH1, pH24 und pH Verlauf) erfasst, um den genetischen Hintergrund des Wasserbindevermögens zu untersuchen. Für das Merkmal Tropfsaftverlust im Kotelett wurden 49 signifikante SNP (P < 0.001) identifiziert, für pH1 40 SNP, für pH24 9 SNP sowie für den pH Verlauf 33 SNP. Die Analyse ergab 14 funktionelle Kandidatengene, die signifikant mit Tropfsaftverlust assoziiert waren. Für pH1, pH24 und den pH Verlauf wurden jeweils 26, 7 und 22 Kandidatengene identifiziert. Die Gene NELL1 und SOX6, die signifikant mit dem Tropfsaftverlust assoziiert waren, befanden sich auf Chromosom 2 und zeigten mehr als 3 Punktmutationen, die sich in einem hohen Kopplungsungleichgewicht zueinander befanden, Der Anteil der erklärten phänotypischen Varianz durch einzelne SNP lag zwischen 4,4 und 8,43 % für alle 4 Merkmale. <br /> Im zweiten Teil dieser Studie wurde WHC durch den Tropfsaftverlust, der im M. longissimus dorsi gemessen wurde, charakterisiert. Mittels einer Expressionsanalyse der Transkriptionsprofile von 132 F2 DuPi Tieren wurden 1228 Gene gefunden, die mit dem Tropfsaftverlust signifikant korreliert waren. Ein hypergeometrischer „Gene set enrichment“ Test wurde durchgeführt und der Glykolyse/Glykoneogenese, der Pentose Phosphat Pathway sowie der Pyruvat Metabolismus als viel versprechenste Pathways identifiziert. Eine eQTL Analyse wurde mit 267 ausgewählten Transkripten durchgeführt, die insgesamt 1542 signifikante Assoziationen ergaben. Auf Grund der positionellen Übereinstimmung zwischen dem Gen, das dem Transkript zu Grunde lag, und dem eQTL, konnten 8 mögliche cis eQTL identifiziert werden. Durch den Vergleich der „Gene set enrichment“ und der eQTL Studie konnten molekulare Netzwerke sowie potenzielle Kandidatengene, die während der Ausprägung des WHC eine Schlüsselrolle spielen, entdeckt werden. <br /> Schlussfolgernd lässt sich sagen, dass in dieser Studie durch die Anwendung der genomweiten Assoziationsanalyse mittels des 60K Schweine SNP Chip eine Untersuchung des genetischen Hintergrunds der WHC Merkmale möglich wurde. Durch die Kombination der genomweiten Assoziationsanalyse und dem „Genetical Genomics“ Ansatz konnten WHC Merkmal-Assoziierte SNP identifiziert und Einblicke in die Biologie der komplexen Merkmale gewonnen werden.