热应激对中国荷斯坦奶牛影响相关分子机制转录组水平上的探讨

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热应激(Heat stress,HS)下,家畜的生长发育、代谢、繁殖和免疫等方面都会受到不同程度的影响,极大的制约了畜牧业的发展。因此,探究热应激相关机制将会对畜牧业的进一步发展具有深远的意义。由于热应激反应是一个涉及多种细胞、组织和器官的复杂生物学过程。因而,从多层次多角度进行相关探究成为了进一步阐明热应激机制的重要途经。本研究根据实验牛场的实际温湿度指数(Temperature Humidity Index,THI),将实验分为非热应激、轻度热应激和中度热应激三个阶段进行。每个阶段选取8-10头身体健康、体重与体型相似、1-3胎次并处于同等饲养管理条件下的泌乳中期中国荷斯坦奶牛作为采样对象。由于外周血中白细胞不仅对机体各项生命活动具有重要的生物学意义,而且采样对奶牛正常生产不会造成较大的影响,同时为了避免血液中其他组织器官释放的物质的干扰。因此,本研究选取奶牛外周血白细胞为研究对象。本研究从不同应激程度下的基因表达变化、可变剪切和linc RNAs(long intergenic noncoding RNAs)转录调控等微观层面与呼吸频率(Respiratory rate,RR)、直肠温度(Rectal temperature,RT)和各类白细胞数目与比例等宏观层面相结合来筛选与鉴定多个在外周血白细胞中参与热应激应答的关键基因和调控因子以及潜在的分子机制。主要的研究结果如下:(1)随着热应激程度的加深,奶牛的RR和RT都会出现上升的趋势。在不同热应激程度下奶牛的RR与RT在到达峰值的时间存在差异。同时,奶牛外周血中整体白细胞的数目与RR和RT热应激判断指标间存在极其显著的线性关系,且具有相反的趋势。(2)通过对非热应激组、轻度热应激组与中度热应激组的奶牛外周血白细胞的RNA-seq数据分析,分别在其中鉴定了5997、4845和4308个差异转录本。不同阶段差异转录本功能富集分析结果表明:热应激程度下奶牛外周血白细胞的代谢和RNA加工过程的基因变化将会影响各类白细胞的比例和数目变化。此外,溶酶体相关基因有随着热应激程度变化的趋势。(3)通过非热应激组、轻度热应激组与中度热应激组的显著可变剪切事件的比较中,分别鉴定2694、2682和2645发生显著可变剪切事件的基因。其中,245个差异表达基因(Differentially Expressed Genes,DEGs)在不同应激组的比较中都发生了显著可变剪切事件。进一步的随机森林的特征排序的结果表明:热应激会使多个细胞发育相关的基因发生显著可变剪切事件,进而对白细胞的数目与比例造成影响。(4)总共252个long intergenic noncoding RNAs(linc RNAs)被鉴定出来,包括113个为数据库中未注释的。其中,25、20和16个linc RNAs分别在非热应激组、轻度热应激组与中度热应激组的比较中差异表达。差异表达基因间长非编码RNA(Differentially Expressed Linc RNAs,DELs)及其邻近的基因与共表达的DEGs功能富集分析结果显示:DELs主要通过调节线粒体自噬、蛋白质合成和免疫等过程的基因调控外周血白细胞在热应激下的数目与比例变化。此外,鉴定出3个在其中起到关键作用的linc RNAs。综上所述,本研究的发现奶牛外周血中白细胞的数目会随着热应激程度的加深而减少,并通过基因转录、可变剪切和linc RNAs等层面挖掘出细胞代谢和RNA加工等过程基因在奶牛热应激机制中发挥重要的作用,进而为热应激应答相关的研究奠定基础。
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