Genome-wide association study to identify QTL for growth and carcass quality traits in Korean native cattle, Hanwoo = 한우에서 전장연관분석을 통한 성장 및 도체형질에 관한 QTL 발굴에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

본 연구의 목적은 고밀도 대용량SNP 칩을 한우집단의 유전적 특성을 규명하고 한우의 성장과 품질에 관여하는 Quantitative trait loci(QTL)을 발굴하고자 수행하였다. 본 연구에 이용된 샘플은 농협 서산 한우개량사업소에 사육되고 있는61두의 종모우들과 그들로부터 생산된 거세우 486두를 이용하였으며, 연구 대상 형질은 이유시 체중 (weaning weight, WWT), 12개월령 체중 (365-d yearling weight, YWT), 도체중(carcass weight after slaughter, CWT), 등지방두께(backfat thickness, BFT), 등심단면적(longissimusdorsi muscle area, LMA) 및 근내지방도(marbling score, Marb) 였으며 이들 형질에 연관되어 있는 QTL들을 발굴하고자 Illumina bovine 54,001 SNP chip을 이용하였다. 주요 연구결과는 다음과 같이 요약된다.
1. 한우집단에서 유효집단크기와 게놈전반에 걸친 선발신호(selection signatures)가 조사되었다. LHCM방법을 이용하여 Haplotype들을 결정하였고 거세우들의 모든 상염색체에서 maternal haplotypes만을 선별하였다. 유효집단크기(Ne)는 syntenic SNPs사이의 연관불평형 정보로부터 추정하였는데, 유효집단크기가 약3,200세대 전에 4,000으로 시작하여 점차적으로 감소되는 경향을 보였다. 두드러진 점은 유효집단크기가 급격히 감소하는 두 시기, 즉 25~50세대 와 10~25세대였는데, 10~25세대, 즉 1980년대에 인공수정 기술을 사용하여 후대검정을 통한 종모우를 선발여 정액을 증식 보급하는 한우 육종프로그램이 진행된 시기였다. 현재 한우집단 Ne는 약 300으로 추정되었다. 유전체 위치 상에서selection signature를 확인하기 위해서, 넓은 범위의 haplotype test가 수행되어 P<0.01의 유의 수준에서 최근에 일어난 positive selection의 증거가 되는 95개 구간을 밝혀내었다. 그중 가장 높은통계적 유의성을 가진 11개의 공통되는 핵심 구간을 발견하였데 이 염색체 지역에서는 한우와 다른 품종에서 발굴된 경제형질과 관련된 QTL들이 확인되었다.
2. 본 연구에서는 한우에서 성장과 도체품질에 영향하는 상가적 또는 우성효과를 가진 SNP들을 발굴하기 위하여 전장연관분석을(whole genome association study, GWAS) 수행하였다. WWT, YWT, CWT, BFT, LMA, Marb형질에 영향하는 총 148개 SNP들을 발굴하였는데, 5% 염색체(게놈)수준으로 각 형질에 대하여 16(0), 18(4), 20(13), 11 (23) ,10(13) , 19 (1)개를 발굴하였다. 148 SNP중 91개의 SNP가 우성효과를 나타내었다. 이 SNP들은 17개 염색체(BTA 3, 4, 5, 6, 7, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 20, 23, 26, 28)에 위치하여 35개의 QTL에 위치하였다. 특히 BTA14에 위치하는 CWT에 영향하는 SNP와BTA20에 위치하고 있는 QTL은 WWT, YWT, BFT 및 LMA에 영향을 끼치는 SNP들이 발굴되었다.
3. 주요 상가적 QTL을 발굴하기 위해서 세가지 연관불균형 지도방법이 적용 되었다: linkage disequilibrium single locus regression(LDRM), combined linkage and linkage disequilibrium analysis(LDVCM), BayesCπ. 분석 결과 YWT, LMA, Marb에 관여하는 QTL들이 WWT, CWT, BFT에 관여하는 QTL보다 더 많았다. 또 위의 세 모델에서 공통적으로 4개의QTL이 탐색되었었다 (64.1-64.9Mb for BTA7 for WWT, 24.3-25.4Mb for BTA14 for CWT, 0.5-1.5Mb for BTA6 for BFT and 26.3-33.4Mb for BTA29 for BFT).

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The objectives of this study were to characterize the genetic structure of the Korean native cattle, Hanwoo, and to identify quantitative trait loci (QTL) for growth and carcass quality traits using high-density SNP panels. The data set incorporated 61 sires, their 486 steers, and the 54,001 SNP (single nucleotide polymorphism) markers on 29 bovine autosomal chromosomes. Traits to be analyzed in this study were six growth and carcass quality traits including weaning weight (WWT), 365-d yearling weight (YWT), carcass weight after slaughter (CWT), backfat thickness (BFT), longissimus dorsi muscle area (LMA), and marbling score (Marb). Results were summarized as follows.

1. Effective population size (Ne) and evidence of selection signatures across the genome were investigated in Hanwoo. Haplotype phases were inferred by a LHCM method and maternal haplotypes were chosen across all the autosomal chromosomes. Ne was estimated from linkage disequilibrium between syntenic SNPs, and the results showed that Ne values started from 4,000 about 3,200 generations ago, decreasing gradually. However, there were two periods with drastic decrease of Ne, i.e. between 25~50 and 10~25 generations ago. In the latter the Hanwoo breeding program was implemented with the technique of artificial insemination produced by Korean proven sires from progeny tests. The Ne estimate of the current Hanwoo population was around 300. To identify selection signatures on any genomic position, a long-range haplotype test was applied. Our results revealed 95 regions exhibiting footprints of recent positive selection (P<0.01). We found 11 core regions with selection signature with strong statistical evidence, in which QTL were identified in Hanwoo and other cattle breeds.

2. A whole genome association study (GWAS) was conducted to identify additive and dominant SNPs for growth and carcass traits in Hanwoo. A total of 16(0), 18(4), 20(13), 11 (23) , 10(13) and 19 (1) SNPs were detected at the 5% chromosome (genome)-wise level for the traits, WWT, YWT, CWT, BFT, LMA and Marb, respectively. Among the 148 SNPs, 91 SNPs had dominance effects, suggesting that dominance inheritance mode be considered in genetic improvement for growth and caracass quality in Hanwoo. Thirty five QTL regions on 17 Bos taurus chromosomes (i.e. BTA 3, 4, 5, 6, 7, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 20, 23, 26, and 28) were detected. Strong evidence for the QTL influencing CWT were detected on BTA14. Also, the QTL for WWT, YWT, BFT, and LMA were detected on BTA20.

3. Three different linkage disequilibrium (LD) mapping models were applied to detect additive QTL: linkage disequilibrium single locus regression(LDRM), combined linkage and linkage disequilibrium analysis(LDVCM) and BayesCπ. Our results indicated for WWT, CWT, and BFT more QTL were detected than for YWT, LMA, and Marb. Four QTL were confirmed from the three mapping methods, i.e. the QTL 64.1-64.9Mb for BTA7 for WWT, 24.3-25.4Mb for BTA14 for CWT, 0.5-1.5Mb for BTA6 for BFT and 26.3-33.4Mb for BTA29 for BFT, respectively.

목차 (Table of Contents)

• NOTATION I
• CHAPTER 1. General Introduction 1
• CHAPTER 2. Literature Review 7
• CHAPTER 3. Effective Population Size and Signatures of Selection Using Bovine 50k SNP Chips in Korean Native Cattle (Hanwoo) 36
• CHAPTER 4. A Whole Genome Assoication Study to Detect Additive and Dominant SNP for Growth and Carcass Traits in Korean Native Cattle (Hanwoo) 66
• CHAPTER 5. Multiple Linkage Disequilibrium Mapping Methods to Validate Additive QTL in Korean Native Cattle (Hanwoo) 104
• Summary 135