Genome-wide search for candidate genes determining vertebrae number in pigs

Abstract

Longer porcine carcasses may be expected to have more vertebrae. Therefore, vertebrae number in pigs is an economically important trait. To examine the genetic basis of this trait, we genotyped 578 F₂ Large White × Minzhu pigs using the Porcine SNP60K BeadChip. A genome-wide association study (GWAS) identified 36 significant single nucleotide polymorphisms (SNPs) on the chromosomes SSC1 (294.28–300.32 Mb) and SSC7 (102.22–109.39 Mb). A 6.04-Mb region that contained all 13 significant SNPs on SSC1 also contained the gene NR6A1, previously reported to influence the number of vertebrae in pigs. However, the reported putative casual mutation of NR6A1 c.748C>T showed no genome-wide significant association with the trait, suggesting it was not a causal mutation in our population. The remaining 23 significant SNPs on SSC7 were concentrated in a 7.17-Mb region, which was within a quantitative trait locus interval for number of vertebrae. TMED10 was the closest gene to the most significant SNP and might be a candidate. Haplotype sharing and block analysis refined the QTL to an interval of about 3 Mb containing 29 candidate genes. Of these 29 genes, the previously reported possible casual mutation of VRTN g.19034A>C was not found to be a causal mutation in our population. Exploration of these genes via additional genetic and functional studies in mammals revealed that TGFβ3 could be a good candidate on SSC7. A mutation of TGFβ3 c.1749G>A was detected by GWAS and could be proposed as a candidate causal mutation, or as closely linked to a causal mutation, for the number of vertebrae in pigs.

Keywords

genome-wide association study / number of vertebrae / pig / SSC7 / TGFβ3

References

[1] King J, Roberts R. Carcass length in the bacon pig; its association with vertebrae numbers and prediction from radiographs of the young pig. Animal Science, 1960, 2(1): 59–65

[2] Wada Y, Akita T, Awata T, Furukawa T, Sugai N, Inage Y, Ishii K, Ito Y, Kobayashi E, Kusumoto H, Matsumoto T, Mikawa S, Miyake M, Murase A, Shimanuki S, Sugiyama T, Uchida Y, Yanai S, Yasue H. Quantitative trait loci (QTL) analysis in a Meishan × Göttingen cross population. Animal Genetics, 2000, 31(6): 376–384

[3] Mikawa S, Hayashi T, Nii M, Shimanuki S, Morozumi T, Awata T. Two quantitative trait loci on Sus scrofa chromosomes 1 and 7 affecting the number of vertebrae. Journal of Animal Science, 2005, 83(10): 2247–2254

[4] Mikawa S, Morozumi T, Shimanuki S, Hayashi T, Uenishi H, Domukai M, Okumura N, Awata T. Fine mapping of a swine quantitative trait locus for number of vertebrae and analysis of an orphan nuclear receptor, germ cell nuclear factor (NR6A1). Genome Research, 2007, 17(5): 586–593

[5] Mikawa S, Sato S, Nii M, Morozumi T, Yoshioka G, Imaeda N, Yamaguchi T, Hayashi T, Awata T. Identification of a second gene associated with variation in vertebral number in domestic pigs. BMC Genetics, 2011, 12(1): 5

[6] Miller S A, Dykes D D, Polesky H F. A simple salting out procedure for extracting DNA from human nucleated cells. Nucleic Acids Research, 1988, 16(3): 1215

[7] Zhang L C, Li N, Liu X, Liang J, Yan H, Zhao K B, Pu L, Shi H B, Zhang Y B, Wang L G, Wang L X. A genome-wide association study of limb bone length using a Large White × Minzhu intercross population. Genetics, Selection, Evolution, 2014, 46(1): 56

[8] Aulchenko Y S, de Koning D J, Haley C. Genomewide rapid association using mixed model and regression: a fast and simple method for genomewide pedigree-based quantitative trait loci association analysis. Genetics, 2007, 177(1): 577–585

[9] Amin N, van Duijn C M, Aulchenko Y S. A genomic background based method for association analysis in related individuals. PLoS One, 2007, 2(12): e1274

[10] Hao K, Li C, Rosenow C, Wong W H. Detect and adjust for population stratification in population-based association study using genomic control markers: an application of Affymetrix Genechip Human Mapping 10K array. European Journal of Human Genetics, 2004, 12(12): 1001–1006

[11] Gao X, Starmer J, Martin E R. A multiple testing correction method for genetic association studies using correlated single nucleotide polymorphisms. Genetic Epidemiology, 2008, 32(4): 361–369

[12] Yang Q, Cui J, Chazaro I, Cupples L A, Demissie S. Power and type I error rate of false discovery rate approaches in genome-wide association studies. BMC Genetics, 2005, 6(Suppl 1): S134

[13] Nezer C, Collette C, Moreau L, Brouwers B, Kim J J, Giuffra E, Buys N, Andersson L, Georges M. Haplotype sharing refines the location of an imprinted quantitative trait locus with major effect on muscle mass to a 250-kb chromosome segment containing the porcine IGF2 gene. Genetics, 2003, 165(1): 277–285

[14] Barrett J C, Fry B, Maller J, Daly M J. Haploview: analysis and visualization of LD and haplotype maps. Bioinformatics, 2005, 21(2): 263–265

[15] Fan Y, Xing Y, Zhang Z, Ai H, Ouyang Z, Ouyang J, Yang M, Li P, Chen Y, Gao J, Li L, Huang L, Ren J. A further look at porcine chromosome 7 reveals VRTN variants associated with vertebral number in Chinese and Western pigs. PLoS One, 2013, 8(4): e62534

[16] Sato S, Oyamada Y, Atsuji K, Nade T, Sato S, Kobayashi E, Mitsuhashi T, Nirasawa K, Komatsuda A, Saito Y, Terai S, Hayashi T, Sugimoto Y. Quantitative trait loci analysis for growth and carcass traits in a Meishan x Duroc F2 resource population. Journal of Animal Science, 2003, 81(12): 2938–2949

[17] Ren D R, Ren J, Ruan G F, Guo Y M, Wu L H, Yang G C, Zhou L H, Li L, Zhang Z Y, Huang L S. Mapping and fine mapping of quantitative trait loci for the number of vertebrae in a White Duroc × Chinese Erhualian intercross resource population. Animal Genetics, 2012, 43(5): 545–551

[18] Rubin C J, Megens H J, Barrio A M, Maqbool K, Sayyab S, Schwochow D, Wang C, Carlborg O, Jern P, Jorgensen C B, Archibald A L, Fredholm M, Groenen M A M, Andersson L. Strong signatures of selection in the domestic pig genome. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2012, 109(48): 19529–19536

[19] Burgos C, Latorre P, Altarriba J, Carrodeguas J A, Varona L, López-Buesa P. Allelic frequencies of NR6A1 and VRTN, two genes that affect vertebrae number in diverse pig breeds: a study of the effects of the VRTN insertion on phenotypic traits of a Duroc × Landrace-Large White cross. Meat Science, 2015, 100: 150–155

[20] Fontanesi L, Ribani A, Scotti E, Utzeri V J, Veličković N, Dall’Olio S. Differentiation of meat from European wild boars and domestic pigs using polymorphisms in the MC1R and NR6A1 genes. Meat Science, 2014, 98(4): 781–784

[21] Yang G, Ren J, Zhang Z, Huang L. Genetic evidence for the introgression of Western NR6A1 haplotype into Chinese Licha breed associated with increased vertebral number. Animal Genetics, 2009, 40(2): 247–250

[22] Edwards D B, Ernst C W, Raney N E, Doumit M E, Hoge M D, Bates R O. Quantitative trait locus mapping in an F2 Duroc × Pietrain resource population: II. Carcass and meat quality traits. Journal of Animal Science, 2008, 86(2): 254–266

[23] Rojo M, Pepperkok R, Emery G, Kellner R, Stang E, Parton R G, Gruenberg J. Involvement of the transmembrane protein p23 in biosynthetic protein transport. Journal of Cell Biology, 1997, 139(5): 1119–1135

[24] Rojo M, Emery G, Marjomäki V, McDowall A W, Parton R G, Gruenberg J. The transmembrane protein p23 contributes to the organization of the Golgi apparatus. Journal of Cell Science, 2000, 113(6): 1043–1057

[25] Bonnon C, Wendeler M W, Paccaud J P, Hauri H P. Selective export of human GPI-anchored proteins from the endoplasmic reticulum. Journal of Cell Science, 2010, 123(10): 1705–1715

[26] Jerome-Majewska L A, Achkar T, Luo L, Lupu F, Lacy E. The trafficking protein Tmed2/p24b(1) is required for morphogenesis of the mouse embryo and placenta. Developmental Biology, 2010, 341(1): 154–166

[27] Shipley J M, Mecham R P, Maus E, Bonadio J, Rosenbloom J, McCarthy R T, Baumann M L, Frankfater C, Segade F, Shapiro S D. Developmental expression of latent transforming growth factor b binding protein 2 and its requirement early in mouse development. Molecular and Cellular Biology, 2000, 20(13): 4879–4887

[28] Arai A, Mizoguchi T, Harada S, Kobayashi Y, Nakamichi Y, Yasuda H, Penninger J M, Yamada K, Udagawa N, Takahashi N. Fos plays an essential role in the upregulation of RANK expression in osteoclast precursors within the bone microenvironment. Journal of Cell Science, 2012, 125(12): 2910–2917

[29] Christ B, Huang R, Wilting J. The development of the avian vertebral column. Anatomy and Embryology, 2000, 202(3): 179–194

[30] James A W, Xu Y, Lee J K, Wang R, Longaker M T. Differential Effects of transforming growth factor-beta1 and-beta3 on chondrogenesis in posterofrontal cranial suture-derived mesenchymal cells in vitro. Plastic and Reconstructive Surgery, 2009, 123(1): 31

[31] Andersson O, Reissmann E, Ibáñez C F. Growth differentiation factor 11 signals through the transforming growth factor-b receptor ALK5 to regionalize the anterior-posterior axis. EMBO Reports, 2006, 7(8): 831–837

[32] Hirose K, Mikawa S, Okumura N, Noguchi G, Fukawa K, Kanaya N, Mikawa A, Arakawa A, Ito T, Hayashi Y, Tachibana F, Awata T. Association of swine vertnin (VRTN) gene with production traits in Duroc pigs improved using a closed nucleus breeding system. Animal Science Journal, 2013, 84(3): 213–221

Supplementary materials

The online version of this article at http://dx.doi.org/10.15302/J-FASE-2017163 contains supplementary materials (Tables S1–S3; Fig. S1).

Acknowledgements

This research was supported by the Agricultural Science and Technology Innovation Program (ASTIP-IAS02), National Key Technology R&D Program of China (2015BAD03B02), Earmarked Fund for Modern Agro-industry Technology Research System.

Compliance with ethics guidelines

Longchao Zhang, Jingwei Yue, Xin Liu, Jing Liang, Kebin Zhao, Hua Yan, Na Li, Lei Pu, Yuebo Zhang, Huibi Shi, Ligang Wang, and Lixian Wang declare that they have no conflict of interest.

All applicable institutional and national guidelines for the care and use of animals were followed.

RIGHTS & PERMISSIONS

The Author(s) 2017. Published by Higher Education Press. This is an open access article under the CC BY license (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0)