Analysis of functional candidate genes related to ubiquitination process for meat quality in commercial pigs

Abstract

During the conversion from muscle to meat, the degradation of myofibrillar proteins impacts on the water holding capacity of meat. Besides the calpain/calpastatin proteolytic system, the activity of ubiquitin proteasome system also causes the degradation of intermediate filament proteins and integrins that leads to an increase of drip loss formation in the muscle cells. The current study sought to evaluate the effects on meat quality of the four functional candidate genes, <em>UBXN1, UBE3B, TRIP12 </em>and<em> ZRANB1</em>, that related to the ubiquitination processes. Nine novel polymorphisms were identified in the transcribed and 3´-UTR regions of these genes. Seven of these novel SNPs were genotyped in a total of about 570 animals derived from the two populations, German Landrace (GL) and the commercial crossbreed of Pietrain × (German Large White × German Landrace) (PiF1). The SNPs of the four candidate genes exhibited strong associations with the indicators of water holding capacity, including muscle conductivity (<em>UBXN1, UBE3B, TRIP12</em>); drip loss (<em>UBXN1, UBE3B</em>), pH values <em>(UBXN1, TRIP12</em> and <em>ZRANB1</em>) and meat redness (<em>UBE3B</em>). The SNPs of the four candidate genes had also significant association with carcass traits such as loin eye area, loin fat depth and meat to fat ratio. Moreover, the variation of transcript abundances of <em>UBXN1</em>, <em>ZRANB1</em> and <em>TRIP12</em> were significantly associated with the respective polymorphisms. At the same time, their transcript abundances were correlated with muscle conductivity, pH and drip loss, respectively. <em>UBE3B</em> transcript abundance was associated with meat redness. The integration of association and expression data imply the existence of causal polymorphisms in the cis-regulatory regions of these candidate genes, which are in incomplete linkage disequilibrium with the detected SNPs, and which primarily affect their transcript abundance and, in consequence, traits related to water holding capacity. Thus the study revealed the consistent triangular relationship among genotype - phenotype - transcript abundance across the four candidate genes. In fact, the detected SNPs were in linkage phase with alleles of causal sites increasing the transcript abundances, and enhancing the purge loss in the case of <em>UBXN1</em> and <em>UBE3B</em>, whereas decreasing drip loss formation in the case of <em>TRIP12</em> and <em>ZRANB1</em> genes. Moreover, interactions observed among these genes of the ubiquitination system and the ryanodine 1 receptor (<em>RYR1</em>) indicate options for further improvement of meat quality, in particular in <em>RYR1</em> heterozygous animals, by considering genotypes at these loci. The results of this study provide genetic evidences to support <em>UBXN1</em>, <em>UBE3B</em>, <em>TRIP12</em> and <em>ZRANB1</em> as the functional candidate genes for water holding capacity of pork.

Während der Fleischreifung, wenn Muskelgewebe zu Fleisch wird, so wird die Wasserbindungskapazität des Gewebes durch den Abbau myofibrillärer Proteine beeinflusst. Neben dem Calpain/Calpastatin Proteolysesystem ist die Aktivität des Ubiquitin-Systems für den Abbau von Proteinen der Intermediärfilamente sowie von Integrinen mitverantwortlich. Dies verursacht einen erhöhten Flüssigkeitsverlust der Muskelzellen. Die vorliegende Studie versucht, die Auswirkungen von vier funktionellen Kandidatengenen aus dem Ubiquitinierungsprozess, <em>UBXN1</em>, <em>UBE3B</em>, <em>TRIP12</em> und <em>ZRANB1</em>, auf die Fleischqualität auszuwerten. Neun neue Polymorphismen wurden in der transskribierten Sequenz sowie im 3’UTR der Gene identifiziert. Sieben dieser neuen SNP wurden in insgesamt etwa 570 Tieren genotypisiert, die aus zwei Populationen stammen, Deutsche Landrasse (GL) und Pietrain × (Deutsches Edelschwein × Deutsche Landrasse) (PiF1). Die SNP der vier Kandidatengene wiesen eine signifikante Assoziation mit Indikatoren der Wasserbindungskapazität auf, nämlich der Muskelleitfähigkeit (<em>UBXN1</em>, <em>UBE3B</em>, <em>TRIP12</em>), dem Flüssigkeitsverlust (Drip) (<em>UBXN1</em>, <em>UBE3B</em>), dem pH-Wert (<em>UBXN1</em>, <em>TRIP12</em> und <em>ZRANB1</em>) und der Rotfärbung des Fleisches (<em>UBE3B</em>). Die SNP der vier Kandidatengene zeigten zudem signifikante Assoziationen mit Schlachtkörpermerkmalen wie der Kotelettfläche, Lendenfettdicke und dem Fleisch-Fett Verhältnis. Darüber hinaus war die Varianz der Transkriptmenge von <em>UBXN1</em>, <em>ZRANB1</em> and TRIP12 signifikant mit den jeweiligen Polymorphismen korreliart. Gleichzeitig war die Transkriptmenge mit Muskelleitfähigkeit, pH Wert und Flüssigkeitsverlust assoziiert. Die Transkriptmenge von UBE3B war assoziiert mit der Rotfärbung des Fleisches. Die Zusammenführung von Assoziations- und Expressionsdaten weist auf die Existenz kausaler Mutationen in den cis-regulatorischen Regionen der Kandidatengene hin, welche sich in einem unvollständigen Kopplungsungleichgewicht mit den entdeckten SNP befinden. Diese beeinflussen in erster Linie die Transkriptmenge und, als Konsequenz, Merkmale der Wasserbindungskapazität. Die vorliegende Studie demonstiert die konsistente dreiseitige Beziehung zwischen Phänotyp, Genotyp und Transkriptmenge bei allen vier Kandidatengenen. Tatsächlich befanden sich die detektierten SNP in einer Kopplungsphase mit Allelen kausaler Mutationen, welche die Transkriptmenge erhöhen und im Fall von <em>UBXN1</em> und <em>UBE3B</em> den Flüssigkeitsverlust erhöhen, wohingegen dieser im Fall von <em>TRIP12</em> and <em>ZRANB1</em> verringert wurde. Darüber hinaus weisen Interaktionen zwischen den Genen des Ubiquitin-Systems und dem Ryanodin 1 Rezeptor (<em>RYR1</em>) auf Möglichkeiten der weitergehenden Verbesserung der Fleischqualität hin, besonders in <em>RYR1</em> heterozygoten Tieren, indem der Genotyp an diesen Loci berücksichtigt wird. Die Ergebnisse dieser Studie unterstützen <em>UBXN1</em>, <em>UBE3B</em>, <em>TRIP12</em> und <em>ZRANB1</em> als funktionellen Kandidatengene für die Wasserbindungskapazität von Schweinefleisch.