马骨软骨病与关节盂骨软骨碎片的关节特异性全基因组关联研究及遗传力估计

《BMC Genomics》：Leveraging joint-specific phenotypes for genome-wide association studies and SNP heritability estimation of equine osteochondrosis and fetlock osteochondral fragments

　　

摘要

背景

马的骨软骨病（OC）和关节盂骨软骨碎片是常见的发育性关节疾病，由生长骨骼发育障碍引起，常导致关节内碎片，需要关节镜手术治疗，带来巨大的经济和动物福利负担。为降低患病率，已采用基于表型的选育方法，但效果有限，从而引发了对基因组方法的研究兴趣。遗传研究的进展受到难以组建足够大的研究群体以及表型定义不一致的阻碍。此外，由于病变具有年龄依赖性动态变化以及骨软骨碎片此前外科手术切除后未作记录、且切除后在X光片上留下极少或没有影像学证据的情况，可能出现假阴性分类。本研究旨在对马的OC和关节盂骨软骨碎片进行关节特异性病例-对照全基因组关联研究（GWAS），并估算基于单核苷酸多态性（SNP）的遗传力。采用一种新颖的半定量评分系统定义了七个基础表型，具有两个到四个特异性水平，并与高密度基因分型数据配对分析。

结果

质量控制后，最终研究群体由716匹马组成，其中公马442匹，母马274匹。温血马占研究群体的99.9%，84%的马登记在比利时温血马三个登记簿之一。X光筛查的平均年龄为36个月。在最宽松的特异性水平下，合格病例/对照组数量分别为：总OC 307/325，飞节OC 187/478，胫骨中间远端嵴（DIRT）OC 165/504，飞节OC 110/588，关节OC 51/536，近节趾骨掌/跖侧近端骨软骨碎片（POF）76/619，近节趾骨背侧近端碎片（DOF）100/590。在23项GWAS中，鉴定出214个提示性SNP，其中50个达到全基因组显著性水平。根据预设标准，鉴定出8个感兴趣的基因组区域，发现11个新型候选基因：总OC中的LDB2；飞节OC中的SCUBE3、MAPK13和MAPK14；以及POF中的FGF6、FGF23、IL17A、IL17F、TRAM2、BMP5和PPP2R5C。DIRT OC未检测到候选基因。飞节OC、关节OC和DOF的提示性SNP未定义出感兴趣的基因组区域。基于SNP的遗传力估计值范围为：总OC 26.2%至27.1%，飞节OC 53.9%–61.0%，DIRT OC 49.4%–61.2%，飞节OC 1.5%–14.2%，关节OC 0.0%–13.7%，POF 10.0%–54.8%，DOF 5.7%–39.6%。

结论

本研究呈现了马DOF特异性GWAS的首次研究结果，并鉴定出参与血管生成和骨发育的新型候选基因，涉及总OC、飞节OC和POF。研究结果表明，严格的关节特异性表型定义具有重要意义，因为即使是表型定义上的微小差异也会显著影响基于SNP的遗传力估计值以及基因组关联和候选基因的鉴定。飞节OC和DIRT OC的高遗传力估计值表明遗传改良具有较大潜力。总OC、关节OC和飞节OC较低的遗传力估计值可能反映了基因分型SNP未能完全捕获底层遗传变异，从而低估了遗传因素对表型方差的贡献，或者非遗传因素确实起到了更大作用。未来研究应优先采用标准化的关节特异性表型评估、大型多群体数据集，并对已鉴定位点、候选基因和基于SNP的遗传力估计值进行验证，以支持在改善骨关节健康的同时保持遗传多样性的育种策略。