Published August 7, 2020 | Version v1
Publication Open

BoLA-DRB3 gene haplotypes show divergence in native Sudanese cattle from Taurine and Zebu breeds

Creators

  • 1. University of Khartoum
  • 2. Jumonji University
  • 3. Hokkaido University
  • 4. National University
  • 5. Ethiopian Institute of Agricultural Research
  • 6. Instituto de Genética Veterinaria
  • 7. Centro Científico Tecnológico - La Plata

Description

Abstract Autochthonous Sudanese cattle breeds, namely Baggara for beef and Butana and Kenana for dairy, are characterized by their adaptive characteristics and high performance in hot and dry agro-ecosystems, are used largely by nomadic and semi-nomadic pastoralists. Here we analyzed the diversity and genetic structure of the BoLA-DRB3 gene, a genetic locus linked to the immune response, for the indigenous cattle of Sudan and in the context of the global cattle repository. Blood samples (n=225) were taken from three indigenous breeds (Baggara; n=113, Butana; n= 60 and Kenana; n=52) distributed across six regions of Sudan. Nucleotide sequences were genotyped using the sequence-based typing method. Sequence electropherograms were analyzed using the Assign SBT software. We describe 53 alleles, including seven new, novel alleles. In the Baggara breed the number of alleles was 46 (40 previously reported and six new ones), 33 in the Kenana breed (28 previously reported and five new ones), and 33 in the Butana breed (28 previously reported and five new ones). Venn analysis of Sudanese breeds with Southeast Asian, European and American cattle showed 115 alleles of which 14 were unique to Sudanese breeds. Three of the alleles exhibited gene frequency of > 0.5%, representing 26% of the 53 alleles detected in the native Sudanese cattle. Observed versus expected heterozygosity was higher than 0.93 in all three breeds analyzed and equilibrium status revealed by Hardy-Weinberg Equilibrium suggests pure genetic drift. Gene frequency distributions of Baggara cattle showed an even distribution ( P = 0.016), consistent with the theoretical proportion expected under balancing selection pressure as opposed to positive or neutral selection. In contrast, Butana and Kenana cattle ( P = 0.225 and P = 0.138, respectively) were more congruent with neutral selection, similar to the results obtained for most of the cattle breeds analyzed so far. Sudanese cattle breeds were located within a narrow cloud in an intermediate position between the Zebu and Taurine breeds and close to other Southeast Asian breeds, in accordance with the composite origin of these native breeds, which is also reinforced by the presence of African and Zebu unique BoLA-DRB3 alleles within these breeds. The results of the Principal Component Analysis were in agreement with the overall clustering pattern observed on the NJ and/or UPGMA trees. These results contribute to our understanding of the genetic diversity and distribution pattern of BoLA-DRB3 gene alleles in Sudanese cattle breeds and provide insight into their uniqueness in their ability to survive arrays of tropical diseases and reproduce well in Sudan's harsh environment. Author summary African cattle survive and adapt to a variety of diseases via acquired immunity capable of presenting antigens through the function of the major histocompatibility complex (MHC) or bovine leukocyte antigen (BoLA) in cattle. The aim of this study was to investigate how the immune system is structured and to what extent three economically important breeds in Sudan differ from exotic cattle. Here, we use the sequence-based typing approach to analyze BoLA-DRB3's genetic diversity linked to immunity against complex diseases that infect cattle. By examining 225 indigenous cattle belonging to three breeds in Sudan, we demonstrate that these cattle are unique from all known cattle by identifying seven new alleles; BoLA-DRB3 * 004:02Sp, BoLA-DRB3 * 011:02Sp, BoLA-DRB3 * 018:01Sp, BoLA-DRB3 * 021:01sp, BoLA-DRB3 * 024:18Sp, BoLA-DRB3 * 027:05sp , and BoLA-DRB3 * 032:01sp . When analyzing frequency of the protein pockets implicated in the antigen-binding function of the MHC complex by PCA we found that pockets 4 and 9 are the ones that best differentiate these native breeds from the rest. This may be attributed to high disease tolerance/susceptibility to tropical infections, such as those carried by ticks and intestinal parasites. Further studies are needed on these newly identified variants and their association with specific common disease(s). This finding is especially important for disease resistance/susceptibility association to help advise on candidate animals in selection schemes.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تتميز سلالات الماشية السودانية التجريدية، وهي البقارة للحوم البقر والبوتانا والكنانة لمنتجات الألبان، بخصائصها التكيفية وأدائها العالي في النظم الإيكولوجية الزراعية الحارة والجافة، ويستخدمها إلى حد كبير الرعاة الرحل وشبه الرحل. هنا قمنا بتحليل التنوع والبنية الجينية لجين BoLA - DRB3، وهو موضع وراثي مرتبط بالاستجابة المناعية، للماشية الأصلية في السودان وفي سياق مستودع الماشية العالمي. تم أخذ عينات الدم (العدد=225) من ثلاثة سلالات أصلية (البقارة ؛ العدد=113، بوتانا ؛ العدد= 60 وكينانا ؛ العدد=52) موزعة على ست مناطق في السودان. تم تنميط تسلسلات النيوكليوتيدات باستخدام طريقة الكتابة القائمة على التسلسل. تم تحليل البرامج الكهربية التسلسلية باستخدام برنامج Assign SBT. وصفنا 53 أليلًا، بما في ذلك سبعة أليلات جديدة جديدة. في سلالة البقارة كان عدد الأليلات 46 (40 تم الإبلاغ عنها سابقًا وستة أليلات جديدة)، و 33 في سلالة كينانا (28 تم الإبلاغ عنها سابقًا وخمسة أليلات جديدة)، و 33 في سلالة بوتانا (28 تم الإبلاغ عنها سابقًا وخمسة أليلات جديدة). أظهر تحليل فين للسلالات السودانية مع الماشية في جنوب شرق آسيا وأوروبا وأمريكا 115 أليلًا منها 14 فريدة من نوعها للسلالات السودانية. أظهرت ثلاثة من الأليلات تواترًا جينيًا يزيد عن 0.5 ٪، وهو ما يمثل 26 ٪ من 53 أليلًا تم اكتشافها في الماشية السودانية الأصلية. كان تغاير الزيجوت الملحوظ مقابل المتوقع أعلى من 0.93 في جميع السلالات الثلاثة التي تم تحليلها وحالة التوازن التي كشف عنها توازن هاردي واينبرغ تشير إلى انحراف جيني نقي. أظهرت توزيعات التردد الجيني لأبقار البقارة توزيعاً متساوياً ( P = 0.016)، بما يتفق مع النسبة النظرية المتوقعة تحت ضغط الاختيار المتوازن بدلاً من الاختيار الإيجابي أو المحايد. في المقابل، كانت ماشية بوتانا وكنانا ( P = 0.225 و P = 0.138، على التوالي) أكثر تطابقًا مع الانتقاء المحايد، على غرار النتائج التي تم الحصول عليها لمعظم سلالات الماشية التي تم تحليلها حتى الآن. كانت سلالات الماشية السودانية تقع داخل سحابة ضيقة في موقع وسيط بين سلالات زيبو وتوراين وقريبة من سلالات جنوب شرق آسيا الأخرى، وفقًا للأصل المركب لهذه السلالات الأصلية، والذي يعززه أيضًا وجود أليلات BoLA - DRB3 الأفريقية و Zebu الفريدة داخل هذه السلالات. كانت نتائج تحليل المكون الرئيسي متوافقة مع نمط التجميع العام الملاحظ على أشجار NJ و/أو UPGMA. تساهم هذه النتائج في فهمنا للتنوع الوراثي ونمط التوزيع للأليلات الجينية BoLA - DRB3 في سلالات الماشية السودانية وتوفر نظرة ثاقبة لتفردها في قدرتها على البقاء على قيد الحياة من مصفوفات الأمراض المدارية والتكاثر بشكل جيد في بيئة السودان القاسية. يلخص المؤلف بقاء الماشية الأفريقية على قيد الحياة والتكيف مع مجموعة متنوعة من الأمراض عن طريق المناعة المكتسبة القادرة على تقديم مستضدات من خلال وظيفة مركب التوافق النسيجي الرئيسي (MHC) أو مستضد الكريات البيض البقري (BoLA) في الماشية. كان الهدف من هذه الدراسة هو التحقيق في كيفية هيكلة الجهاز المناعي وإلى أي مدى تختلف ثلاثة سلالات مهمة اقتصاديًا في السودان عن الماشية الغريبة. هنا، نستخدم نهج الكتابة القائم على التسلسل لتحليل التنوع الجيني لـ BoLA - DRB3 المرتبط بالمناعة ضد الأمراض المعقدة التي تصيب الماشية. من خلال فحص 225 من الماشية الأصلية التي تنتمي إلى ثلاثة سلالات في السودان، نثبت أن هذه الماشية فريدة من نوعها عن جميع الماشية المعروفة من خلال تحديد سبعة أليلات جديدة ؛ BoLA - DRB3 * 004: 02Sp، BoLA - DRB3 * 011: 02Sp، BoLA - DRB3 * 018: 01Sp، BoLA - DRB3 * 021: 01sp، BoLA - DRB3 * 024:18Sp، BoLA - DRB3 * 027:05sp ، و BoLA - DRB3 * 032:01sp . عند تحليل تواتر جيوب البروتين المتورطة في وظيفة ربط مولد الضد لمركب MHC بواسطة PCA، وجدنا أن الجيوب 4 و 9 هي التي تميز هذه السلالات الأصلية عن البقية بشكل أفضل. وقد يعزى ذلك إلى ارتفاع درجة تحمل الأمراض/القابلية للإصابة بالعدوى الاستوائية، مثل تلك التي يحملها القراد والطفيليات المعوية. هناك حاجة إلى مزيد من الدراسات حول هذه المتغيرات التي تم تحديدها حديثًا وارتباطها بأمراض شائعة محددة. هذه النتيجة مهمة بشكل خاص لجمعية مقاومة الأمراض/الحساسية للمساعدة في تقديم المشورة بشأن الحيوانات المرشحة في مخططات الاختيار.

Translated Description (French)

Résumé Les races bovines soudanaises autonomes, à savoir Baggara pour le bœuf et Butana et Kenana pour les produits laitiers, se caractérisent par leurs caractéristiques d'adaptation et leurs hautes performances dans les agro-écosystèmes chauds et secs, sont largement utilisées par les éleveurs nomades et semi-nomades. Nous avons analysé ici la diversité et la structure génétique du gène BoLA-DRB3, un locus génétique lié à la réponse immunitaire, pour les bovins indigènes du Soudan et dans le cadre du dépôt mondial de bovins. Des échantillons de sang (n=225) ont été prélevés sur trois races indigènes (Baggara ; n=113, Butana ; n= 60 et Kenana ; n=52) réparties dans six régions du Soudan. Les séquences nucléotidiques ont été génotypées à l'aide de la méthode de typage basée sur les séquences. Les électrophorégrammes de séquence ont été analysés à l'aide du logiciel Assign SBT. Nous décrivons 53 allèles, dont sept nouveaux allèles. Dans la race Baggara, le nombre d'allèles était de 46 (40 précédemment signalés et six nouveaux), 33 dans la race Kenana (28 précédemment signalés et cinq nouveaux) et 33 dans la race Butana (28 précédemment signalés et cinq nouveaux). L'analyse Venn des races soudanaises avec des bovins d'Asie du Sud-Est, d'Europe et d'Amérique a montré 115 allèles dont 14 étaient uniques aux races soudanaises. Trois des allèles présentaient une fréquence génétique > 0,5 %, ce qui représente 26 % des 53 allèles détectés chez les bovins soudanais indigènes. L'hétérozygotie observée par rapport à l'hétérozygotie attendue était supérieure à 0,93 chez les trois races analysées et le statut d'équilibre révélé par l'équilibre de Hardy-Weinberg suggère une pure dérive génétique. Les distributions de fréquence génique des bovins Baggara ont montré une distribution égale ( P = 0,016), conforme à la proportion théorique attendue sous la pression de sélection d'équilibrage par opposition à la sélection positive ou neutre. En revanche, les bovins Butana et Kenana ( P = 0,225 et P = 0,138, respectivement) étaient plus congruents avec la sélection neutre, similaire aux résultats obtenus pour la plupart des races bovines analysées jusqu'à présent. Les races bovines soudanaises étaient situées dans un nuage étroit dans une position intermédiaire entre les races Zebu et Taurine et à proximité d'autres races d'Asie du Sud-Est, conformément à l'origine composite de ces races indigènes, qui est également renforcée par la présence d'allèles BoLA-DRB3 uniques africains et Zebu au sein de ces races. Les résultats de l'analyse en composantes principales étaient en accord avec le modèle global de regroupement observé sur les arbres NJ et/ou UPGMA. Ces résultats contribuent à notre compréhension de la diversité génétique et du modèle de distribution des allèles du gène BoLA-DRB3 chez les races bovines soudanaises et donnent un aperçu de leur caractère unique dans leur capacité à survivre à des réseaux de maladies tropicales et à bien se reproduire dans l'environnement difficile du Soudan. Résumé DE L'AUTEUR Les bovins africains survivent et s'adaptent à une variété de maladies via une immunité acquise capable de présenter des antigènes grâce à la fonction du complexe majeur d'histocompatibilité (CMH) ou de l'antigène leucocytaire bovin (BoLA) chez les bovins. L'objectif de cette étude était d'étudier comment le système immunitaire est structuré et dans quelle mesure trois races économiquement importantes au Soudan diffèrent des bovins exotiques. Ici, nous utilisons l'approche de typage basée sur les séquences pour analyser la diversité génétique de BoLA-DRB3 liée à l'immunité contre les maladies complexes qui infectent les bovins. En examinant 225 bovins indigènes appartenant à trois races au Soudan, nous démontrons que ces bovins sont uniques parmi tous les bovins connus en identifiant sept nouveaux allèles ; BoLA-DRB3 * 004: 02Sp, BoLA-DRB3 * 011: 02Sp, BoLA-DRB3 * 018: 01Sp, BoLA-DRB3 * 021: 01sp, BoLA-DRB3 * 024: 18Sp, BoLA-DRB3 * 027: 05sp et BoLA-DRB3 * 032:01sp . Lors de l'analyse de la fréquence des poches de protéines impliquées dans la fonction de liaison à l'antigène du complexe CMH par PCA, nous avons constaté que les poches 4 et 9 sont celles qui différencient le mieux ces races indigènes du reste. Cela peut être attribué à une tolérance/sensibilité élevée aux infections tropicales, telles que celles portées par les tiques et les parasites intestinaux. D'autres études sont nécessaires sur ces variants nouvellement identifiés et leur association avec des maladies communes spécifiques. Cette constatation est particulièrement importante pour l'association résistance/sensibilité aux maladies afin d'aider à donner des conseils sur les animaux candidats dans les programmes de sélection.

Translated Description (Spanish)

Resumen Las razas bovinas sudanesas autóctonas, a saber, Baggara para la carne y Butana y Kenana para los productos lácteos, se caracterizan por sus características adaptativas y su alto rendimiento en agroecosistemas cálidos y secos, y son utilizadas en gran medida por pastores nómadas y seminómadas. Aquí analizamos la diversidad y la estructura genética del gen BoLA-DRB3, un locus genético vinculado a la respuesta inmune, para el ganado indígena de Sudán y en el contexto del repositorio mundial de ganado. Se tomaron muestras de sangre (n=225) de tres razas indígenas (Baggara; n=113, Butana; n= 60 y Kenana; n=52) distribuidas en seis regiones de Sudán. Las secuencias de nucleótidos se genotipificaron utilizando el método de tipificación basado en secuencias. Los electroferogramas de secuencia se analizaron utilizando el software Assign SBT. Describimos 53 alelos, incluidos siete nuevos alelos novedosos. En la raza Baggara el número de alelos fue de 46 (40 previamente reportados y seis nuevos), 33 en la raza Kenana (28 previamente reportados y cinco nuevos), y 33 en la raza Butana (28 previamente reportados y cinco nuevos). El análisis de Venn de razas sudanesas con ganado del sudeste asiático, europeo y americano mostró 115 alelos, de los cuales 14 eran exclusivos de razas sudanesas. Tres de los alelos exhibieron una frecuencia génica de > 0.5%, lo que representa el 26% de los 53 alelos detectados en el ganado sudanés nativo. La heterocigosidad observada frente a la esperada fue superior a 0,93 en las tres razas analizadas y el estado de equilibrio revelado por el equilibrio de Hardy-Weinberg sugiere una deriva genética pura. Las distribuciones de frecuencia génica del ganado Baggara mostraron una distribución uniforme ( P = 0.016), consistente con la proporción teórica esperada bajo presión de selección equilibrada en oposición a la selección positiva o neutra. En contraste, el ganado Butana y Kenana ( P = 0.225 y P = 0.138, respectivamente) fueron más congruentes con la selección neutra, similares a los resultados obtenidos para la mayoría de las razas de ganado analizadas hasta el momento. Las razas de ganado sudanesas se ubicaron dentro de una nube estrecha en una posición intermedia entre las razas Zebu y Taurine y cerca de otras razas del sudeste asiático, de acuerdo con el origen compuesto de estas razas nativas, que también se ve reforzado por la presencia de alelos BoLA-DRB3 únicos de África y Zebu dentro de estas razas. Los resultados del Análisis de Componentes Principales estuvieron de acuerdo con el patrón general de agrupamiento observado en los árboles de NJ y/o UPGMA. Estos resultados contribuyen a nuestra comprensión de la diversidad genética y el patrón de distribución de los alelos del gen BoLA-DRB3 en las razas bovinas sudanesas y proporcionan información sobre su singularidad en su capacidad para sobrevivir a matrices de enfermedades tropicales y reproducirse bien en el duro entorno de Sudán. Resumen del autor El ganado africano sobrevive y se adapta a una variedad de enfermedades a través de la inmunidad adquirida capaz de presentar antígenos a través de la función del complejo mayor de histocompatibilidad (MHC) o el antígeno leucocitario bovino (BoLA) en el ganado. El objetivo de este estudio fue investigar cómo está estructurado el sistema inmunológico y en qué medida tres razas económicamente importantes en Sudán difieren del ganado exótico. Aquí, utilizamos el enfoque de tipificación basado en secuencias para analizar la diversidad genética de BoLA-DRB3 vinculada a la inmunidad contra enfermedades complejas que infectan al ganado. Al examinar 225 bovinos autóctonos pertenecientes a tres razas en Sudán, demostramos que estos bovinos son únicos de todos los bovinos conocidos al identificar siete nuevos alelos; BoLA-DRB3 * 004: 02Sp, BoLA-DRB3 * 011: 02Sp, BoLA-DRB3 * 018: 01Sp, BoLA-DRB3 * 021: 01sp, BoLA-DRB3 * 024: 18Sp, BoLA-DRB3 * 027: 05sp y BoLA-DRB3 * 032:01sp . Al analizar la frecuencia de las bolsas de proteínas implicadas en la función de unión al antígeno del complejo MHC por PCA, encontramos que las bolsas 4 y 9 son las que mejor diferencian a estas razas nativas del resto. Esto puede atribuirse a la alta tolerancia/susceptibilidad de la enfermedad a las infecciones tropicales, como las transmitidas por garrapatas y parásitos intestinales. Se necesitan más estudios sobre estas variantes recién identificadas y su asociación con enfermedades comunes específicas. Este hallazgo es especialmente importante para la asociación de resistencia/susceptibilidad a la enfermedad para ayudar a asesorar sobre los animales candidatos en los esquemas de selección.

Files

2020.08.07.241133.full.pdf.pdf

Files (2.1 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:d983503c9deb475a8b7847ee592acfa4
2.1 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تُظهر الأنماط الفردية الجينية BoLA - DRB3 اختلافًا في الماشية السودانية الأصلية من سلالات التورين والزيبو
Translated title (French)
Les haplotypes du gène BoLA-DRB3 montrent une divergence chez les bovins soudanais indigènes des races Taurine et Zebu
Translated title (Spanish)
Los haplotipos del gen BoLA-DRB3 muestran divergencia en el ganado sudanés nativo de las razas Taurine y Zebu

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3047685693
DOI
10.1101/2020.08.07.241133

Is supplement to
https://openalex.org/W609880068 (Other)
https://openalex.org/W2973179339 (Other)
https://openalex.org/W2761317983 (Other)
https://openalex.org/W2496188146 (Other)
https://openalex.org/W2153637023 (Other)
https://openalex.org/W2053675386 (Other)
https://openalex.org/W2034244867 (Other)
https://openalex.org/W1966982752 (Other)
https://openalex.org/W1935265735 (Other)
https://openalex.org/W1521320241 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Argentina

References

  • https://openalex.org/W1551288450
  • https://openalex.org/W1731984584
  • https://openalex.org/W1886027281
  • https://openalex.org/W1889277243
  • https://openalex.org/W1896028594
  • https://openalex.org/W1907806866
  • https://openalex.org/W1967037407
  • https://openalex.org/W1968191137
  • https://openalex.org/W1968318769
  • https://openalex.org/W1970375278
  • https://openalex.org/W1974877472
  • https://openalex.org/W1975610488
  • https://openalex.org/W1984316285
  • https://openalex.org/W1992674810
  • https://openalex.org/W1992831750
  • https://openalex.org/W1997830612
  • https://openalex.org/W1999169677
  • https://openalex.org/W2002652947
  • https://openalex.org/W2005395185
  • https://openalex.org/W2012370384
  • https://openalex.org/W2021603074
  • https://openalex.org/W2026129783
  • https://openalex.org/W2031252023
  • https://openalex.org/W2047417387
  • https://openalex.org/W2047484593
  • https://openalex.org/W2048979501
  • https://openalex.org/W2052550780
  • https://openalex.org/W2052561371
  • https://openalex.org/W2052672736
  • https://openalex.org/W2055232084
  • https://openalex.org/W2061391724
  • https://openalex.org/W2092030892
  • https://openalex.org/W2096273062
  • https://openalex.org/W2110899053
  • https://openalex.org/W2113258983
  • https://openalex.org/W2116484582
  • https://openalex.org/W2129612334
  • https://openalex.org/W2134181228
  • https://openalex.org/W2143197765
  • https://openalex.org/W2147258534
  • https://openalex.org/W2148909280
  • https://openalex.org/W2150297520
  • https://openalex.org/W2152417594
  • https://openalex.org/W2153684855
  • https://openalex.org/W2155128499
  • https://openalex.org/W2157285699
  • https://openalex.org/W2291911956
  • https://openalex.org/W2558680817
  • https://openalex.org/W2589273673
  • https://openalex.org/W2782475854
  • https://openalex.org/W2803255254
  • https://openalex.org/W2864019103
  • https://openalex.org/W2964750788
  • https://openalex.org/W2999531888
  • https://openalex.org/W4231311503
  • https://openalex.org/W4249275793