Identification and SNP detection for preimplantation active genes and their association with embryo development and male fertility in cattle

Abstract

Previous studies have focused on identification and characterization of genes involved in early development. However, information on the relationship between sequence variance of these genes and fertility traits is limited. Therefore, this study was conducted to identify single nucleotide polymorphisms in CDH1, DSC2, TJP1, PKP1, COX-2, CD9, GJA1, PLCζ, AKR1B1, N-PAC and EEF1α genes and their association with male fertility traits Non Return Rate (NRR), semen quality traits (volume per ejaculation, concentration, motility and survivality after thawing) and sperm flow cytometry parameters (plasma membrane integrity, acrosome integrity and DNA fragmentation index) and early embryo development. To full fill these objectives, 11 different cattle breeds were used for screening polymorphism. Genomic DNA of sperm of 310 German Holstein bulls was genotyped for the selected candidate genes. Comparative sequencing results revealed polymorphisms in CD9 at pos. 95 (T>C) in exon 9 having no change in amino acid, in PLCζ at pos. 2749 (G>A) in intron 6, in COX-2 two SNPs at pos. 185 (T>C) and pos. 6 (A>T) in intron 5 and 7 respectively, in AKR1B1 at pos. 159 (A>G) in intron 7, in N-PAC at pos. 5 (C>T) in intron 13, in DSC2 seven SNPs at pos. 281 (T>G) in intron 7, pos. 6b (A>G) and pos. 21 (G>A) in intron 9, pos. 206 (G>A) and pos. 328 (T>C) and pos. 341 (C>T) and pos. 378 (T>C) in intron 12, in CDH1 three SNPs at pos. 47 (C>T) in exon 8 having no change in amino acid, and two SNPs at pos. 43 (G>A) and pos. 92 (C>G) in intron 7, in TJP1 at pos. 50 (C>T) in exon 13 having no change in amino acid and in PKP1 at pos. 140 (G>A) in intron 9. Association analysis revealed significant association of the following genes with various traits: DSC2 and TJP1 (P<0.05) with volume of ejaculation, AKR1B1 and CDH1 (P<0.05) with sperm survivality, CD9, AKR1B1, COX-2, DSC2 and TJP1 (P<0.05) with sperm motility (P<0.05), CD9, N-PAC, CDH1 and PKP1 (P<0.05) with sperm concentration. No association was found between identified SNPs and NRR and sperm flow cytometry parameters. Finally, the genotyping results of embryo developed from three genes (DSC2, CDH1 and TJP1) revealed that TJP1 has significant association with embryo development (P<0.05).

<b>Identifikation und SNP-Detektion von preimplativ aktiven Genen und ihre Assoziation mit der Embryonalentwicklung und Bullenfruchtbarkeit</b><br /> Vorangegangene Studien legten ihre Schwerpunkte auf die Identifikation und Charakterisierung von Genen die die frühe Entwicklung beeinflussen. Die Erkenntnisse über die Sequenzunterschiede und deren Beziehung zu den Fruchtbarkeitsmerkmalen sind begrenzt. Das Ziel diese Studie war es, SNPs (Einzelbasenaustasch) in den Genen CDH1, DSC2, TJP1, PKP1, COX-2, CD9, GJA1, PLCζ, AKR1B1, N-PAC und EEF1α zu identifizieren und ihre Assoziation mit den männlichen Fruchtbarkeitsmerkmalen Non Return Rate (NRR), Spermaqualität (Volumen je Ejakulation, Konzentration, Motilität und Überlebensfähigkeit) und Spermium-Qualitätsmerkmale (Plasma Membran Integrität, Akrosomen Integrität und DNA Integrität), sowie der frühen Embryoentwicklung zu klären. Zur Detektion der Polymorphismen, wurden die Genotypen von 11 verschiedenen Rinderassen analysiert. Aus dem Sperma von 310 Bullen der Rasse Deutsche Holstein wurde genomische DNA isoliert und für die Auswahl der Kandidatengene genotypisiert. Der Vergleich der Ergebnisse aus der Sequenzierung ermöglichte es, SNPs in den Genen CD9 im Exon 9, bei Pos. 95 (T>C), Diese Polymophismen hatten keinen Einfluss auf die Proteinstrukturen. Weitere SNPs konnten in den Genen PLCζ im Intron 6, Pos. 2749 (G>A), COX-2 im Intron 5, Pos. 185 (T>C) und Intron 7, Pos. 6 (A>T), AKR1B1 im Intron 7, Pos. 159 (A>G), N-PAC im Intron 13, Pos. 5 (C>T), DSC2 im Intron 7, Pos. 281 (T>C), im Intron 9, Pos. 6 (A>G) sowie Pos. 21 (G>A), im Intron 12, Pos. 206 (G>A), Pos. 328 (T>C), Pos. 341 (C>T) sowie Pos. 378 (T>C), CDH1 zwei SNPs im Intron 7, Pos. 43 (G>A) und Pos. 92 (C>G), in TJP1 im Exon 13, bei Pos. 50 (C>T), Diese Polymophismen hatten keinen Einfluss auf die Proteinstrukturen und im Gen PKP1 im Intron 9, Pos. 140 (G>A) detektiert werden. Die Assoziationsanalyse zeigte, dass sich die Gene DSC2 und TJP1 mit dem Volumen der Ejakulation (P<0.05), AKR1B1 und CDH1 mit der Überlebensfähigkeit des Spermas (P<0.05), CD9, AKR1B1, COX2, DSC2 und TJP1 mit der Motilität (P<0.05), sowie CD9, N-PAC, CDH1 und PKP1 mit der Spermiumkonzentration (P<0.05) signifikant assoziieren ließen. Die gefundenen SNPs hatten aber keinen Einfluss auf die NRR und auf Merkmale der Spermien. Bei der abschließende Genotypisierung von Embryonen für drei Gene (DSC2, CDH1 und TJP1) konnte ein signifikanter Effekt (P<0.05) von TJP1 mit dem Merkmal Entwicklung der Embryonen beobachtet werden.