Transcriptomics and proteomics analysis to identify molecular mechanisms associated with meat quality traits

Abstract

Boar taint and water holding capacity (WHC) are important quality criteria in pig production and affect the financial output, the nutritional composition as well as the consumer appeal of pork. Both, boar taint and WHC are measured by several traits which can be characterized by complex genetic architecture and molecular mechanisms. Thus, the analysis of the transcriptome and proteome using high-throughput technologies are necessary to elucidate the molecular mechanisms and to identify biomarkers with the potential to be developed as markers that can be monitored in such traits. The aim of this study was therefore to provide a transcriptome and proteome analysis in liver and muscle samples from crossbred animals with as well different androstenone and skatole levels and high and low drip loss.<br /> In the first study, microarray analysis using the porcine Affymetrix gene chip in liver tissues from 10 boars of a Pietrain F2 crossbred with high and low androstenone, high and low skatole levels and grouping of combined phenotypes revealed 264 differentially expressed genes (DEGs). Only two genes could be identified in liver between high and low androstenone group, whereas 92 DEGs (p ≤ 0.05) between high and low skatole group were identified. Out of these genes, 49 were up - and 43 downregulated in samples with high skatole level. In addition, when a combined phenotype of androstenone and skatole was analyzed, 170 DEGs were identified of which 86 showed an increased and 84 a decreased level of expression. The differentially expressed genes were mainly assigned in metabolic processes, oxidative reductase activity and lipid metabolism. In summary, this study could be obtained an insight into the biology of complex characteristic. The high number of genes identified by comparing groups of combined phenotypes suggests a strong relationship between androstenone and skatole and should be considered in future investigation.<br /> In the second study samples of <em>musculus longissimus dorsi</em> with high and low drip loss from a Duroc × Pietrain (DuPi) F₂ resource population (n = 42) was used. The relative protein quantification was done using isotope-coded protein labeling techniques (ICPL) and electrospray ionization liquidchromatography- tandem mass spectrometry (LC-MS/MS). In total, 763 different proteins were identified. Among these different proteins, PYGL, PYGM, HSPA8, EE1A1, ACTA1, CASQ1, FLN-C, MYOM1, TNNT3, and HSP27 were up-regulated and TNNI1, MYL3, MYL2, MB, MYBPC1, FHL1C, TPM1, TPM2, AK1, TNNC2, MYL11, CK, PGK1 and MYH7 down-regulated in animals with low drip loss compared to animals with high drip loss. Results revealed that with high drip loss meat was characterized by a higher level of glycolytic enzymes than in low drip loss meat. Additionally, we could observe that higher levels of chaperone proteins were associated with a low drip loss level. In conclusion, proteomics studies contribute to understand the underlying metabolisms of different meat quality traits. In further steps combining genomics, proteomics and metabolomics data should enable a holistic view of the relevant biological systems.

<strong>Transcriptomics und Proteomics-Analyse zur Identifizierung molekularer Mechanismen von Fleischqualitätsmerkmalen</strong><br /> Ebergeruch und Wasserbindungsvermögen sind wichtige Qualitätskriterien des Schweinefleisches und beeinflussen sowohl den finanziellen Output, die Nährwertzusammensetzung als auch die Attraktivität für den Verbraucher von Schweinefleisch. Beide Merkmale werden von einer Vielzahl an Genen beeinflusst weshalb man von einer komplexen Vererbung mit komplexen molekularen Mechanismen ausgehen kann. Die Analysen des Transkriptoms und Proteoms mittels High-Throughput- Technologien sind daher von Nutzen für die Aufklärung dieser Mechanismen, um im Anschluss geeignete Biomarker entwickeln zu können. Das Ziel dieser Studie war es, eine Transkriptom und Proteom Untersuchung in Leber- und Muskelproben von Kreuzungstieren mit sowohl unterschiedlichen Androstenon- und Skatolgehalten sowie mit hohem und niedrigem Tropfsaftverlust durchzuführen.<br /> Im ersten Experiment konnten mittels des porcinen Affymetrix Genchip in Leberproben von jeweils 10 Ebern mit hohem/niedrigem Androstenon/Skatol Gehalt einer Pietrain F2 Kreuzung 264 unterschiedlich exprimierte Gene aufgedeckt werden. Nur zwei Gene konnten im Vergleich der Gruppe hohem mit niedrigem Androstenongehalt identifiziert werden, während 92 Gene beim Vergleich zwischen hohem und niedrigem Skatolgehalt ein unterschiedliches (p = 0.05) Expressionsniveau aufwiesen. Von diesen waren 49 Gene hoch- und 43 runter reguliert in Proben mit hohem Skatolgehalt. Darüber hinaus wurden bei der Untersuchung eines kombinierten Androstenon/Skatolphänotyps 170 unterschiedlich regulierte Gene identifiziert, wovon 86 ein erhöhtes und 84 ein niedrigeres Expressionsniveau zeigten. Die unterschiedlich exprimierten Gene konnten überwiegend Stoffwechselprozessen, oxidativer und reduktiver Aktivitäten und dem Lipidmetabolismus zugewiesen werden. Zusammenfassend konnte mit dieser Studie ein Einblick in die Biologie des komplexen Merkmales gewonnen werden. Die hohe Anzahl der identifizierten Gene beim Vergleich des kombinierten Phänotypes lässt auf eine starke Beziehung zwischen Androstenon und Skatol schließen und sollte in zukünftigen Untersuchen berücksichtigt werden.<br /> In der zweiten Studie wurden Proben vom <em>musculus longissimus dorsi</em> einer Duroc × Pietrain (DuPi) F₂ Kreuzungspopulation (n = 42) mit hohem und niedrigem Tropfsaftverlust verwendet. Die relative Quantifizierung von Proteinen erfolgte mittels Isotope coded proteine labeling (ICPL) und Elektrospray Ionisation Flüssigchromatographie/Tandem-Massenspektrometrie (LC-MS/MS). Insgesamt wurden 763 Proteine identifiziert. Von diesen Proteinen, waren PYGL, PYGM, HSPA8, EE1A1, ACTA1, CASQ1, FLN -C, MYOM1, TNNT3 und HSP27 hoch und TNNI1, MYL3, MYL2, MB, MYBPC1, FHL1C, TPM1, TPM2, AK1, TNNC2, MYL11, CK, PGK1 und MYH7 herunter reguliert bei Tieren mit niedrigem Tropfsaftverlust im Vergleich zu Tieren mit hoher Tropfsaftverlust. Die Ergebnisse zeigten, dass ein erhöhter Tropfsaftverlust im Fleisch durch eine höhere Regulation von glykolytischen Enzymen gekennzeichnet war. Zusätzlich konnte festgestellt werden, dass eine höhere Regulation von Chaperon-Proteinen mit einem niedrigen Tropfverlust verbunden war. Proteomics Untersuchungen sind bei komplexen Merkmalen notwendig um die zugrunde liegenden Stoffwechselvorgänge besser verstehen zu können. In weiteren Schritten sollte die Kombination von genomischen, proteomischen und metabolomischen Daten eine ganzheitliche Sicht auf die relevanten biologischen Systeme ermöglichen.