Scientific journal

International Journal of Applied and fundamental research

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

Молочная продуктивность является одним из важных показателей эффективности животноводства и определяется величиной удоя, содержанием белка и жира в молоке. Для различных пород крупного рогатого скота данные показатели специфичны и различаются между собой; при этом внутри породы молочная продуктивность также сильно колеблется. Эффективность молочного животноводства зависит от многих факторов – климатических условий, условий содержания и выпаса животного, качества кормления и т.п. Кроме этого, на молочную продуктивность влияют индивидуальные и наследственные особенности коров [1].

Широкое использование современных технологий высокопроизводительного секвенирования (NGS, next generation sequencing) геномов крупного рогатого скота и полногеномного поиска ассоциаций (GWAS, genome-wide association studies) в целях выявления полиморфизмов, ассоциированных с желательными проявлениями хозяйственно полезных признаков, позволило выявить ранее неизвестные аллельные варианты генов, связанных с молочной продуктивностью [2]. К сегодняшнему времени выявлено большое количество аллельных вариантов генов, влияющих на молочную продуктивность крупного рогатого скота. Некоторые признаки контролируются одним геном, другие многофакторны. Особый вклад вносят полиморфные варианты генов, кодирующих транскрипционные факторы – их влияние распространяется сразу на несколько показателей молочной продуктивности. Изменение экспрессии этих генов влияет на регуляцию лактации, жирность молока и содержание в нем белков, объем удоя и общее состояние животного.

Целью данного обзора являлся анализ имеющейся в литературных источниках информации о генах, связанных с молочной продуктивностью крупного рогатого скота, и их вариабельности. В данном обзоре приведены и систематизированы известные к настоящему времени данные об основных генах и их полиморфных вариантах, влияющих на показатели молочной продуктивности крупного рогатого скота.

Казеины

Молочные белки казеины являются преобладающими компонентами молока. Их доля в общем количестве молочных белков составляет более 75 %. В свежем молоке казеин связан с кальцием и представлен преимущественно мицеллярной формой, разрушающейся при обработке молока. Существует четыре типа казеина: αS1, αS2, β и κ. Кодирующие их гены расположены на хромосоме 6 в порядке CSN1S1, CSN1S2, CSN2, CSN3 и объединены в кластер CN [1].

Ген CSN1S1 кодирует α-S1-казеин. В гене обнаружены 3 однонуклеотидные замены, связанные с качеством молока: rs109817504 (g.87141416A>G), rs110981354 (g.87155366C>G), rs43703010 (g.88307280A>G) [3]. Однонуклеотидная замена rs109817504 находится в промоторной области гена CSN1S1 и влияет на параметры твердости сыра при производстве – аллель А уменьшает потенциальную твердость [4]. Замена rs110981354 связана с белково- и жирномолочностью, повышая данные показатели (аллель G) [5]. С процентным содержанием αS1-казеина также ассоциирована замена g.88307280A>G (rs43703010), приводящая к аминокислотной замене Glu>Gly. Вариант Gly/Gly считается наиболее благоприятным для получения молока с повышенным содержанием αS1-казеина [6]. Кроме того, в гене CSN1S1 отмечен полиморфный вариант в некодирующей части, влияющий на молочную продуктивность. В первой позиции интрона 6 происходит замена G на С, при этом инактивируется донорный сайт сплайсинга. Это приводит к потере экзона 6, кодирующего аминокислотные остатки в позициях 35-42, и негативно отражается на реологических свойствах молока, плотности творожного сгустка и выходе сыра [7].

Для гена CSN1S2, кодирующего αS2-казеин, существенных данных о его положительной или отрицательной ассоциации с молочной продуктивностью обнаружено не было, несмотря на выраженную ассоциацию c молочностью других генов кластера CN.

Ген CSN2 кодирует β-казеин. В гене обнаружены следующие однонуклеотидные замены: rs109299401 (g.87181542T>G), rs43703011 (g.4388A>C), rs43703012 (g.87181501G>T), rs43703013 (g.87181453G>C). Данные замены связаны с увеличением выхода молока и общим содержанием белка, что подтверждает основную роль кластера генов казеина в эффективности молочной продуктивности [8]. Для замен rs109299401 и rs43703011 была показана связь с содержанием белков и жиров в молоке. Замена rs43703011 (g.4388A>C) приводит к замене гистидина на пролин в кодоне 67 экзона 7. Такое молоко имеет более продолжительное время сычужной коагуляции и более низкую плотность белкового сгустка [9]. Противоположный эффект наблюдается для аллельного варианта CSN2 с заменой rs43703013, которая уменьшает оба показателя. Данная замена ассоциирована с уменьшением времени коагуляции молока и более высоким показателем плотности творожного сгустка спустя 30 мин после добавления сычужного фермента, что свидетельствует о пригодности такого молока для сыроделия [10]. Кроме того, эффект полиморфного варианта rs109299401 в случае голштинской породы является противоположным – наблюдается уменьшение количества белков, а соотношение количества казеина к количеству всех белков увеличено [4].

Каппа-казеин кодируется геном CSN3, в котором обнаружено четыре значимых для молочной продуктивности замены: rs43703015 (g.88532296C>T; Thr136Ile), rs43703016 (g.88532332A>C; Asp148Ala), rs43703017 (g.87390632A>G), rs43706475 (g.87390479T>G; Ser125Ala) [5]. Однонуклеотидная замена rs43703015 связана с повышенным содержанием жира и лактозы, но при этом для остальных белков показатели уменьшены [11]. Этот результат согласуется с другими исследованиями, в которых также сообщается об уменьшении удоя [12] или отсутствии значительной ассоциации данного варианта с показателями качества молока. Показано, что замена rs43703015 отрицательно влияет на коагуляционные свойства молока, так как увеличивает время сычужной коагуляции белков и уменьшает показатель плотности творожного сгустка спустя 30 мин после добавления фермента [4]. На содержание белков в молоке также влияет замена rs43703017, однако роль ее противоречива. В случае голштинской и бурой швицкой пород данная замена оказывает умеренный или пренебрежимо малый эффект. Аллельный вариант с заменой rs43703017 ассоциирован с повышенным процентом жира и казеина, меньшим временем коагуляции молока и повышенной плотностью сгустка, что представляет ценность в сыроделии [5]. Кроме того, животные с таким генотипом имеют повышенный удой за 1-ю и 3-ю лактации. Также для такого молока отмечено повышенное содержание соматических клеток [13].

β-Лактоглобулин

β-Лактоглобулин является основным белком молочной сыворотки. Несмотря на то, что лактоглобулины не участвуют в процессе коагуляции молока, различные полиморфные варианты гена LGB, кодирующего β-лактоглобулин, оказывают влияние на свертываемость молока [14]. Ген LGB находится на 11 хромосоме; для него описано 11 полиморфных вариантов [1]. Две однонуклеотидные замены наиболее значимые и распространенные у молочного скота – rs110066229 (g.107168524A>G), приводящие к замещению аспарагиновой кислоты глицином в кодоне 64, и rs109625649 (g.107169806T>C) в экзоне 4, валин в положении 118 заменяется на аланин. Обе замены влияют на удой, а также на содержание жира и белка в молоке [15, 16]. Для замены rs109625649 показано, что сычужная коагуляция молока животных, гомозиготных по аллелю T, занимала больше времени по сравнению с таковой для животных, гомозиготных по аллелю C. Кроме того, каппа-казеин взаимодействует с аллелем rs11066229 лактоглобулина быстрее, чем с вариантом rs109625649, что следует учитывать при сыроделии [15].

Диацилглицерол-ацилтрансфераза 1

Диацилглицерол-ацилтрансфераза 1 (DGAT1) является одним из ключевых ферментов биосинтеза триглицеридов в адипоцитах. Дефицит DGAT1 приводит к нарушению синтеза жирных кислот в жировой ткани и скелетных мышцах, а также уменьшению лактации вплоть до ее отсутствия. Ген, кодирующий диацилглицерол-ацилтрансферазу 1 у Bos taurus, известен как DGAT1 и локализован в центромерном участке хромосомы 14 вместе с другими генами, определяющими молочную продуктивность и качество молока. Изучение аллельного полиморфизма гена DGAT1 крупного рогатого скота позволило выявить в общей сложности около двух десятков однонуклеотидных замен, большинство из которых локализованы в некодирующих участках гена и, таким образом, не влияет на структуру самого фермента. Исключением является динуклеотидная замена GC>AA в экзоне 8 (позиция 10433/10434 в нуклеотидной последовательности гена DGAT1 GenBank no. AJ318490), которая приводит к замене аминокислоты аланина на лизин в позиции 232 (Ala232Lys) [17]. Исследования, проведённые на разных породах крупного рогатого скота, выявили связь между наличием аллеля 232Lys и повышенным содержанием жира в молоке, преобладанием насыщенных жирных кислот пальмитиновой и стеариновой над ненасыщенными [8], повышенным содержанием внутримышечного жира и мраморностью говядины [1], пониженным содержанием белков в молоке и более низким удоем [17].

В промоторной части гена был обнаружен участок с варьирующими по числу тандемными повторами (VNTR, Variable Number of Tandem Repeats) c мотивом (CCCGCC)n, ассоциированный с изменением содержания жира и белка в молоке. Повышение количества тандемных повторов до 5 ассоциировано с увеличением содержания белков и жиров и снижением удоя. Особенно это выражено у голштинской породы коров [18].

Синтаза жирных кислот

Ген FASN, кодирующий синтазу жирных кислот, расположен на хромосоме 19 и включает 9 однонуклеотидных замен, ассоциированных с качеством молока. Замены g.17924A>G, g.13965C>T, g.16907T>C, g.18663T>C, g.8948C>T, g.14439T>C оказывают влияние на содержание жира и белка в молочной продукции, а также на удой молока [19]. В 1-м и 34-м экзонах гена были обнаружены замены 763G>C и 16009A>G, соответственно. Гомозиготные по данным заменам животные имели повышенное содержание жира в молоке [20]. В экзоне 32 гена FASN была обнаружена однонуклеотидная замена g.14726C>A, в результате которой лейцин замещается на изолейцин. Данный аллельный вариант влияет на уровень полиненасыщенных жирных кислот в молоке [21].

Гормон роста и его рецептор

Ген GH1, кодирующий гормон роста, оказывает влияние на количество белка, количество и процентное содержание жира и удой. В экзоне 5 гена была обнаружена миссенс-мутация rs41923484 (g.49250310C>G), приводящая к замене лейцина на валин в позиции 127 полипептида [22]. Аллельный вариант C связан с более низким содержанием лактозы и казеинов в молоке [11]. Полиморфный вариант, влияющий на молочную продуктивность крупного рогатого скота, был также обнаружен и в гене рецептора гормона роста (GHR) [2]. Однонуклеотидная замена T на А в экзоне 8, приводящая к изменению аминокислотного остатка в позиции 279 (Phe279Tyr), приводит к увеличению суточного удоя [23].

Член 2 подсемейства G АТФ-связывающей кассеты

Белок ABCG2 (ATP-binding cassette subfamily G member 2), относится к суперсемейству АТФ-связывающих трансмембранных белков, участвующих в транспорте различных соединений через мембрану за счет гидролиза АТФ. Значимое влияние на качество молока оказывает однонуклеотидная замена A>C в экзоне 14 гена ABCG2, приводящая к замещению тирозина на серин в положении 581. Аллель С связан с повышенным удоем и сниженным количеством белков; с повышенной частотой встречается у израильской голштинской породы (20 %) [24].

Пролактин

Пролактин представляет собой гормон, влияющий на развитие и здоровье молочных желез и лактацию. В гене PRL, кодирующем гормон, обнаружена однонуклеотидная замена g.7545G>A в 4 экзоне. Данный аллельный вариант ассоциирован с повышенным удоем [25].

Стеарил-коэнзим-А-десатураза 1

Стеарил-коэнзим-А-десатураза 1 является ферментом, регулирующим синтез мононенасыщенных жирных кислот, и кодируется геном SCD1. SCD1 катализирует десатурацию пальмитиновой и стеариновой кислот с образованием мононенасыщенных жирных кислот (пальмитолеиновой и олеиновой). Ген SCD1 крупного рогатого скота расположен в 26-й хромосоме и состоит из 6 экзонов и 5 интронов. В экзоне 5 гена обнаружен однонуклеотидный полиморфный вариант g.10329T>C (rs41255693), приводящий к замене валина на аланин. Это приводит к изменению соотношения жирных кислот – миростолеиновой к миристиновой, а также влияет на содержанием казеина и остальных белков в молоке [21, 26]. Отмечен слабый негативный эффект на удой молока [11]. Дополнительно в 3’-некодирующей области SCD1 было обнаружено 14 замен, формирующих несколько различных гаплотипов, которые влияют на соотношения различных насыщенных и ненасыщенных жирных кислот в молоке [21].

Микросомальная глутатион-S-трансфераза

Белок MGST1 относится к семейству глутатион-S-трансфераз, участвующих в детоксикации ксенобиотиков. MGST1 катализирует конъюгацию глутатиона с электрофилами и восстановления гидропероксидов липидов. Фермент локализуется в эндоплазматическом ретикулуме и наружной мембране митохондрий, защищая органеллы от окислительного стресса [27]. В интроне гена MGST1 была отмечена однонуклеотидная замена (g.93945738C>T), влияющая на процент жира и состав молока. Аллель С ассоциирован с повышенным содержанием жира, лактозы и белков и снижением удоя [28].

Лептин

Лептин кодируется геном LEP и выделяется в кровь адипоцитами белой жировой ткани. Лептин связывается с рецептором в головном мозге и выполняет эндокринную функцию. Белок играет важную роль в гомеостазе и регуляции энергетического обмена, иммунных реакций, гемопоэза. Для данного гена было отмечено, что однонуклеотидная замена A>T в 252 положении связана со снижением удоя молока [23].

Транскрипционные факторы

На молочность крупного рогатого скота влияет вариабельность не только генов, напрямую связанных с выходом или составом молока, но и замены в генах, кодирующих такие регуляторные единицы, как факторы транскрипции. Значимые замены, связанные с продукцией молока, были обнаружены в генах RNASEH2B (делеция), EGF (однонуклеотидный полиморфизм), STAT5A, STAT5B, POU1F1 [8, 29].

Транскрипционные факторы семейства STAT являются медиаторами большого количества сигнальных путей: клеточного иммунитета, пролиферации, дифференциации и апоптоза. В частности, факторы STAT5 принимают участие в активации транскрипции при участии пролактина. Для гена STAT5A показана замена A>G в позиции 14217, ассоциированная с повышенным содержанием белка в молоке у голштинской породы, а также вставка CCT в позиции 17266, связанная с повышенным удоем и процентным содержанием жира [29].

Ген POU1F1 кодирует фактор транскрипции, необходимый для активации транскрипции гена пролактина. В шестом экзоне гена была выявлена вариабельность (A>G), связанная с показателями удоя молока. Для голштинской и черно-пестрой породы крупного рогатого скота показано увеличение удоя для генотипов AA и AG по сравнению с GG [30].

Дальнейшее изучение полиморфных вариантов генов, кодирующих факторы транскрипции, связанные с параметрами молочной продуктивности, может выявить новые ассоциации.

Информация по описанным в статье генам и полиморфным вариантам суммирована в таблице.

Заключение

Генотип животного, а точнее, профиль полиморфных вариантов многих генов вносит вклад в развитие качественных и количественных характеристик молока. Несмотря на небольшое количество описанных в данном обзоре ДНК-маркеров молочной продуктивности, их использование в маркер-направленной селекции позволит улучшить продуктивность животных, а также эффективность производства качественной молочной продукции. Генотипирование крупного рогатого скота по генам-кандидатам контроля параметров молочной продуктивности с последующим отбором позволит усилить позитивную маркер-направленную селекцию в отношении увеличения хозяйственно ценных показателей молока.

Между тем следует отметить, что в настоящее время развитие маркёр-направленной селекции животных переживает кризис. Выявленные в ассоциативных исследованиях ДНК-маркёры не дают в основной своей массе глобального улучшения селекционного процесса. Полученные в последние десятилетия результаты полногеномных исследований также не привнесли ничего нового в понимание роли генетического аппарата в формировании параметров молочной продуктивности. Таким образом, основная масса проводимых в настоящее время исследований сводится к перебиранию на разных выборках ограниченного круга хорошо известных генов и оценки их роли в формировании небольшого числа хозяйственно ценных признаков. При этом молекулярные механизмы формирования параметров молочной продуктивности остаются слабо изученными. Таким образом, современные подходы не способны обеспечить быстрое решение данных задач. Требуется по-новому взглянуть на возможности достичь высоких результатов в выявлении эффективных ДНК-маркёров. Необходимо проводить системный анализ молекулярных механизмов формирования параметров молочной продуктивности, что обеспечит адекватный выбор генов-кандидатов для ассоциативных исследований и дальнейшего их использования в селекции. При этом следует использовать как биоинформационные, так и экспериментальные методы и подходы, хорошо зарекомендовавшие себя в области медицинской генетики.