Genetic analysis and expression study of candidate genes affecting leg weakness-related traits in pigs

Abstract

Leg weakness (LW) problems are a great concern in the pig industry especially with regard to animal welfare. The present study was carried out to identify chromosome regions and candidate genes affecting LW-related traits in pigs. A total of 310 F₂ pigs from a Duroc×Pietrain resource population were genotyped using 82 genetic markers. Front and rear legs and feet of pigs were scored according to the German standard scoring system. Osteochondrosis (OC) was histologically scored at the head and condylus medialis of the left femur and humerus. Bone mineral density (BMD) traits were measured in the whole ulna and radius bones using dual energy X-ray absorptiometry. A total of 16 QTL were identified for LW-related traits on ten porcine autosomes. All QTL reached the 5% chromosome-wide significance level. QTL on SSC2 and SSC3 for bone mineral content (BMC) and OC at head of humerus, respectively, reached the 5% genome-wide significance level which is worthwhile for further investigation. Genes known to play significant roles in endochondral ossification were selected as functional/positional candidate genes in this study. Significant association was found between SNP of MMP3 (g.158 C>T) with OC at head of femur (P<0.05) and BMD (P<0.05) in the DuPi population. Articular cartilages from 12 castrated males (6 were healthy and 6 were diseased, and each healthy and disease pairs were full-sibling used for genes expression study. TGFβ1 and RUNX2 genes were higher expressed in OC (P<0.05) compared to healthy cartilage. On the other hand, MGP was lower expressed in OC but the expression of COL2A1, MMP9 and SOX9 mRNA abundance was not different. Moreover, the expression of MGP protein was lower (P<0.05) in the OC group when quantified by Western blot. One CpG region was identified in MGP promoter and DNA methylation of three CpG sites were higher in OC compared with normal cartilage. Immunofluorescence of normal articular cartilage collected from pigs at different ages revealed that MGP signals were higher in younger pigs and decreased in the older pigs. The MGP protein was expressed more near to the cartilage canals. These results suggest that the MGP gene might be a potential candidate gene for the development of OC in pigs. In summary, the results provided information on QTL regions and candidate genes for leg weakness-related traits in pigs.

<strong>Genetische Analyse und Expressionstudie zu Kandidatengenen, die die Merkmale der Beinschwäche beim Schwein beeinflussen</strong><br /> Beinschwäche Probleme sind von großer Bedeutung in der Schweinezucht Industrie, besonders im Bezug auf den Tierschutz. Diese Studie wurde durchgeführt, um chromosomale Regionen und Kandidatengene, die die Beinschwäche-Merkmale beim Schwein beeinflussen, zu identifizieren. Es wurden insgesamt 310 F₂ Schweine aus einer Duroc×Piétrain Ressourcen-Population mittels 82 genetischer Marker genotypisiert. Sowohl Vorder- und Hinterbeine als auch die Füße der Schweine wurden nach den Deutschen Standardsystem für die Lineare Fundamentbeurteilung bewertet. Der Osteochondrose (OC) Status wurde histologisch am Kopf und Condylus Medialis des linken Femurs sowie Humerus bewertet. Die Merkmale für die Knochenmineraldichte (BMD) wurden an Ulna und Radius mit Hilfe der Dual-Röntgen-Absorptiometrie gemessen. Insgesamt wurden 16 QTLs auf 10 Autosomen für die Beinschwäche-Merkmale identifiziert. Alle QTLs hatten ein chromosomweites Signifikanznivea von 5% bzw. erreichten die QTLs auf SSC2 und 3 für BMD und OC am Kopf des Humerus ein genomweites Signifikanz von ebenfalls 5%. Dieses Ergebnis eignet sich für weitere Untersuchungen. Gene, die bekannt dafür sind, während der endochondralen Ossifikation eine signifikante Rolle zu spielen, wurden als funktionelle beziehungsweise positionelle Kandidatengene für diese Studie ausgewählt. Signifikante Assoziationen wurden zwischen dem SNP von MMP3 (g.158 C>T) und der OC Gruppe am Femurkopf (P<0,05) sowie der BMD Gruppe (P<0,05) in der DuPi Population festgestellt. Die Gelenkknorpel von 12 Kastraten (6 Kranke und 6 Gesunde, wobei jeweils ein krankes und ein gesundes Tier ein Vollgeschwister-Paar bildeten) wurden für die Genexpressionsstudie verwendet. Die Gene TGFβ1 und RUNX2 wurden im Vergleich zu gesunden Knorpeln verstärkt in den OC (P<0,05) exprimiert. Dagegen war die Expression von MGP bei den OC geringer. Bei der Expression von COL2A1, MMP9 und SOX9 konnte kein Unterschied zwischen den beiden Gruppen festgestellt werden. Zudem war die Expression des MGP Proteins beim Western Blot ebenfalls geringer in der OC Gruppe. Für MGP konnte eine CpG-Region im Promotor identifiziert werden. Dabei zeigte sich, dass die DNA-Methylierung von drei CpG Bindungsstellen in der OC Gruppe im Vergleich zu der Gruppe mit gesunden Knorpeln höher war. Bei der Immunfluoreszenzuntersuchung von normalen Gelenkknorpeln, die von Schweinen unterschiedlichen Alters stammten, war das MGP Signal am stärksten bei jungen Schweinen und nahm mit zunehmendem Alter ab. Die MGP Proteinexpression war um die Knorpel Kanäle am höchsten. Diese Ergebnisse zeigen, dass das MGP Gen ein potentielles Kandidatengen für die Entwicklung von OC bei Schweinen sein könnte. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Ergebnisse Informationen zu den QTL Regionen und den Kandidatengenen für Beinschwäche-Merkmale beim Schwein liefern.