Obrana doktorskog rada :: Mario Shihabi, mag. ing. agr.

Inbriding i selekcija na X kromosomu u populacijama domaćih životinja / Inbreeding and selection on the X chromosome in domestic animal populations

17.7.2024. u 11:00 sati :: Velika vijećnica Sveučilišta u Zagrebu Agronomskog fakulteta

Mentor doktorskog rada:

• Prof. dr. sc. dr. h. c. Ino Čurik, Sveučilište u Zagrebu Agronomski fakultet

Povjerenstvo za obranu doktorskog rada:

• Prof. dr. sc. Vlatka Čubrić Čurik, Sveučilište u Zagrebu Agronomski fakultet
• Izv. prof. dr. sc. Maja Ferenčaković, Sveučilište u Zagrebu Agronomski fakultet
• Prof. dr. sc. Luboš Vostry, Czech University of Life Sciences Prague

Prošireni sažetak doktorskog rada:
Inbriding i selekcija temeljni su genetski procesi koji oblikuju genetsku osnovu populacija, duboko utječući na njihovu genetsku raznolikost i definirajuća svojstva. Kod domaćih životinja ti su procesi posebno izraženi zbog težnje za većom produktivnošću. Razvoj molekularnih markera, posebice SNP-ova, doveo je do stvaranja različitih metoda za procjenu inbridinga i identifikaciju pozitivnih selekcijskih signala, koji se obično primjenjuju i na populacije divljih i domaćih životinja. Međutim, istraživanja genomskog inbridinga i selekcije primarno su usredotočena na autosome, uvelike zanemarujući X kromosom unatoč njegovoj značajnoj ulozi u utjecaju na ekonomski i evolucijski važna svojstva. Važnost X kromosoma dodatno je istaknuta njegovim posebnim karakteristikama u usporedbi s autosomima, koji mogu dovesti do izraženijih učinaka inbridinga i pozitivne selekcije. Nasuprot tome, PAR, mali dio X kromosoma gdje se još uvijek događa rekombinacija između mužjaka i ženke, ako je relativno velik (kod domaćih životinja), sugerira prisutnost sila koje pogoduju rekombinaciji, kao što je izbjegavanje inbridinga. Nadalje, hemizigotni haplotipovi na nonPAR području kod muških jedinki daju jasnu sliku strukture haplotipa, omogućujući razvoj novih metoda za otkrivanje pozitivnih selekcijskih signala i proučavanje filogenetskih odnosa. Stoga su glavni ciljevi ove disertacije bili procijeniti i usporediti razine genomskog inbridinga na X kromosomu i autosomima u populacijama domaćih životinja s posebnim osvrtom na PAR, te uspostaviti novu metodu za identifikaciju pozitivnih selekcijskih signala na temelju razlike u bogatstvu haplotipova nonPAR područja kod muških jedinki. Svaka korištena populacija bila je predstavljena visoko kvalitetnim (dokazano nakon QC-a) Illumina SNP čip genotipovima visoke gustoće s odgovarajućim brojem muških i ženskih jedinki. Korišteno je pet različitih inbriding koeficijenata (F_{ROH_SVS}, F_{ROH_RZooROH}, F_LH1, F_VR1 i F_YA2) na dvije različite populacije goveda (metapopulacija autohtonih hrvatskih pasmina goveda i nellore), pasa (labrador retriver i patagonijski ovčar) i ovaca (metapopulacija autohtonih hrvatskih pasmina ovaca i soay). Nadalje, uspostavljena je nova metoda nazvana „Haplotype Richness Drop” (HRiD) i testirana u kombinaciji s klasičnim metodama (eROHi, iHS i nSL) u metapopulaciji autohtonih hrvatskih pasmina ovaca. U svakom identificiranom signalu provedena je detaljna funkcionalna karakterizacija, anotacija gena i filogenetska analiza (MJN). Kao osnova za obje analize, PAR je lokaliziran u svakoj vrsti, u rasponu od 133,20 do 139,00 Mb u goveda, od 0,00 do 6,59 Mb u pasa i od 0,00 do 7,04 Mb u ovaca, što je u skladu s njihovim referentnim genomima. Na X kromosomu utvrđen je veći inbriding u odnosu na autosome u svim populacijama upotrebom koeficijenata F_{ROH_SVS} i F_{ROH_RZooROH} (najpouzdaniji koeficijenti), dok nisu pronađene razlike upotrebom koeficijenata F_LH1, F_VR1 i F_YA2. Pouzdanost prve skupine koeficijenata (F_{ROH_SVS} i F_{ROH_RZooROH}) pripisuje se njihovoj osnovi u IBD statusu, za razliku od druge skupine koja se temelji na IBS statusu alela. Veća varijabilnost u inbridingu pronađena je na X kromosomu u usporedbi s autosomima upotrebom svih pet koeficijenata u svim populacijama, sa specifičnim obrascima uočenim na X kromosomu. Ova povećana varijabilnost i veći inbriding na X kromosomu mogu biti posljedica njegovih jedinstvenih obrazaca nasljeđivanja i smanjene efektivne veličine populacije. Nikakva razlika u inbridingu između spolova u PAR-u ili prilikom njihove usporedbe s autosomnim vrijednostima nije pronađena ni u jednoj populaciji korištenjem bilo kojeg koeficijenta, što ukazuje na njihovu sličnu genetsku dinamiku. U metapopulaciji izvornih hrvatskih pasmina ovaca identificirano je ukupno 14 pozitivnih selekcijskih signala (u 12 regija) koji obuhvaćaju ukupno 34 kandidat gena, uz visoku podudarnost (86%) s drugim studijama na ovcama. Novom HRiD metodom identificirana su četiri signala: od 13,04 do 13,62 Mb, od 56,64 do 58,09 Mb, od 73,57 do 74,54 Mb (podijeljeno u dva signala), te od 115,30 do 115,73 Mb. Najznačajniji signal je također bio najznačajniji prema drugim metodama, a sva četiri identificirana signala dosljedno su validirana. Filogenetski odnosi unutar ovih signala, analizirani korištenjem MJN-ova, pokazuju da su najčešći haplotipovi unutar signala HRiD_w1 i HRiD_w3,4 haplotipovi predaka koji su podložni pozitivnoj selekciji, dok su derivirani haplotipovi favorizirani u signalima HRiD_w2 i HRiD_w5. Rezultati pokazuju visoku točnost i pouzdanost HRiD metode te da se HRiD može učinkovito koristiti uz eROHi, iHS i nSL metode ili u scenarijima u kojima su dostupni samo muški genotipovi, što je uobičajeno u stočarstvu gdje se pretežno provode procjene genomskih uzgojnih vrijednosti kod muških jedinki. Štoviše, pokazalo se da filogenetske analize mogu pružiti korisne dodatne informacije u analizi haplotipova identificiranih kao selekcijski signali, bilo u smislu povijesnih ili deriviranih statusa favoriziranih haplotipova ili kontroliranjem potencijalnih problema uzrokovanih strukturom populacije koji se mogu pojaviti pri analizi metapopulacija. Općenito, rezultati naglašavaju važnost uključivanja X kromosoma u procjenu inbridinga i identifikaciju selekcije u populacijama domaćih životinja, dok nova HRiD metoda otvara nove mogućnosti u identificiranju pozitivnih signala selekcije korištenjem heterogametskih spolnih haplotipova.

Ključne riječi: X kromosom, inbriding, selekcija, populacije domaćih životinja

Abstract of the doctoral thesis:
In domestic animals, genomic studies of inbreeding and selection have mainly focused on autosomes, neglecting the X chromosome. This neglect is significant as the X chromosome influences many important traits and has unique characteristics that may lead to more pronounced effects of inbreeding and positive selection. In addition, in its small part, PAR, inbreeding avoidance might occur. Furthermore, hemizygous haplotypes on nonPAR in males clearly reveal haplotype structure, enabling detection of positive selection signals and investigation of phylogenetic relationships. Therefore, the main objectives of this dissertation were to evaluate and compare F on the X chromosome and autosomes in domestic animal populations with special focus on PAR and to develop a new method for identifying positive selection signals based on the difference in haplotype richness of nonPAR in males. Each population used was represented by high density Illumina genotypes with an adequate number of both males and females. Five different inbreeding coefficients were used on two distinct populations for cattle (Croatian cattle breeds and Nellore), dogs (Labrador Retriever and Patagonian Sheepdog) and sheep (Croatian sheep breeds and Soay). Conversely, a new method called Haplotype Richness Drop (HRiD) was established and tested alongside classical methods (eROHi, iHS, and nSL) in metapopulation of native Croatian sheep breeds. Each identified signal underwent functional characterization, gene annotation and MJN. Higher inbreeding was found on the X chromosome compared to autosomes in all populations using F_{ROH_SVS} and F_{ROH_RZooROH} (most reliable), while no differences were found using F_LH1, F_VR1 and F_YA2, with greater variability observed using all five coefficients. No difference in F between sexes at PAR or compared to autosomes was found. Using HRiD, four signals were identified and consistently validated, with the same most significant signal across all four methods (from 13.04 to 13.62 Mb). Overall, 14 positive selection signals (12 regions) were identified with 34 genes, with high concordance (86%) with other studies of sheep. The results demonstrate the high accuracy and reliability of HRiD and show that HRiD can be used comprehensively or in scenarios where only male genotypes are available, which is common in livestock where genomic breeding values are predominantly performed for males. Moreover, MJN is shown to provide useful additional information when analysing haplotypes identified as selection signals (derived versus ancestral haplotype or control for population structure-induced disorders). In general, the results emphasize the importance of including the X chromosome in inbreeding estimation and selection identification in domestic animal populations, while the new HRiD method opens up new possibilities in identifying signals using heterogametic sex haplotypes.

Key words: X chromosome, inbreeding, selection, domestic animal populations