Исследование биологических механизмов формирования дефектов конечностей свиней на основе мультимаркерного подхода

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-76-10015

НазваниеИсследование биологических механизмов формирования дефектов конечностей свиней на основе мультимаркерного подхода

Руководитель Колосова Мария Анатольевна, Кандидат сельскохозяйственных наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный аграрный университет" , Ростовская обл

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 06 - Сельскохозяйственные науки; 06-204 - Животноводство

Ключевые слова свиньи, конечности, дефекты, гены, SNP, признаки продуктивности, GWAS, гематологические и биохимические параметры крови, биомаркеры

Код ГРНТИ68.03.05

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В современных политических и экономических условиях все более насущной становится задача развития высокотехнологичного и конкурентоспособного агропромышленного комплекса, и в том числе животноводческого сектора. На сегодняшний день наиболее перспективным и эффективным инструментов решения этой задачи считаются геномные технологии. В свиноводстве болезни конечностей приводят к большим экономическим потерям из-за снижения продуктивности свиней. Одной из серьезных проблем, с которой столкнулись производители свиней, является распространение воспаления слизистых сумок, преимущественно в области скакательных суставов. Это обычно является лишь дефектом и не приводит к хромоте, однако эти свиньи уже не пригодны к продаже, что крайне негативно влияет на эффективность свиноводческих селекционных центров. Помимо этого, указанные дефекты могут быть связаны с различными физиологическими процессами в организме свиней, а предрасположенность к этим дефектам может реализовываться посредством генетических вариантов, ассоциированных с признаками откормочной и мясной продуктивности, а также признаками здоровья. Цель работы – провести исследования, направленные на поиск генетических маркеров (геномных областей и генов) и биомаркеров (гематологических и биохимических параметров крови), связанных с воспалениями конечностей свиней в области скакательного сустава. Научная новизна проекта обусловлена тем, что будет проанализирован геном sus scrofa в аспекте детерминации состояния конечностей свиней, идентифицированы гены, ассоциированные с наличием/отсутствием воспалений задних конечностей свиней, определено плейотропное влияние этих генов на спектр селекционно-значимых признаков свиней, а также устойчивости/восприимчивости к различным заболеваниям. Функциональный анализ этих генов позволит предположить причины генетической предрасположенности свиней к формированию дефектов конечностей. Будут проанализированы гематологические и клинико-биохимические параметры крови как потенциальные биомаркеры для описания патологических или субпатологических состояний и их ассоциации с воспалением конечностей свиней.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Романец Е.А., Бакоев С.Ю., Гетманцева Л.В., Колосова М.А., Романец Т.С., Максимов Н.А. Поиск генетических факторов, связанных с дефектами конечностей свиней СВИНОВОДСТВО (год публикации - 2023)

2. Гетманцева Л.В., Колосова М.А., Феде К.В., Коробейникова А.В., Колосов А.Ю., Романец Е.А., Бакоев Ф.С., Романец Т.С., Юдин В.С., Кескинов А.А., Бакоев С.Ю. Finding Predictors of Leg Defects in Pigs Using CNV-GWAS MDPI Genes (Basel), 2023 Nov 8;14(11):2054 (год публикации - 2023)
10.3390/genes14112054

3. Е.А. Романец,С.Ю. Бакоев, Т.С. Романец, М.А. Колосова, А.Ю. Колосов, Ф.С. Бакоев, О.Л. Третьякова, А.В. Усатов, Л.В. Гетманцева Evaluation of genetic differentiation and search for candidate genes for reproductive traits in pigs Animal Bioscience, Animal Breeding and Genetics Animal Bioscience 2024; 37(5): 832-838 (год публикации - 2024)
10.5713/ab.23.0297

4. Бакоев Ф.С., Гетманцева Л.В., Колосова М.А., Бакоев С.Ю. ПОЛНОГЕНОМНЫЙ АССОЦИАТИВНЫЙ ПОИСК ПРЕДИКТОРОВ ДЕФЕКТОВ КОНЕЧНОСТЕЙ СВИНЕЙ НА ОСНОВЕ СИНТЕЗИРУЕМЫХ ДАННЫХ И АЛГОРИТМОВ МАШИННОГО ОБУЧЕНИЯ (год публикации - 2023)

5. Бакоев C.Ю., Гетманцева Л.В., Колосова М.А., Бакоев Ф.С., Колосов А.Ю., Романец Е.А., Шевцова В.С., Романец Т.С., Колосов Ю.А., Усатов А.В. Identifying Significant SNPs of the Total Number of Piglets Born and Their Relationship with Leg Bumps in Pigs MDPI Publishing (Basel, Switzerland, Switzerland), Biology, 13(12), 1034 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.3390/biology13121034

6. М. А. Колосова, А. Ю. Колосов, А. С. Чернышков Оценка связи состояния конечностей с продуктивными качествами свиней Аграрный вестник Урала, Т. 24, № 11. С. 1476‒1491 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.32417/1997-4868-2024-24-11-1476-1491.

7. Гетманцева Л.В., Колосова М.А., Шевцова В.С., Колосов А.Ю., Бакоев Ф.С., Романец Е.А., Романец Т.С. и Бакоев С.Ю. Genetic Architecture of Hock Joint Bumps in Pigs: Insights from ROH and GWAS Analyses MDPI Animals (Basel, Switzerland) , 15(8):1178 (год публикации - 2025)
10.3390/ani15081178

8. Бакоев С.Ю., Колосова М.А.,Романец Т.С., Бакоев Ф.С., Колосов А.Ю., Романец Е.А., Коробейникова А.В., Бакоева И.С., Ахмедли В.Ф., Гетманцева Л.В. Visualization of Runs of Homozygosity and Classification Using Convolutional Neural Networks MDPI (Basel, Switzerland), 14(4):426 (год публикации - 2025)
10.3390/biology14040426

9. Колосова М. А., Гетманцева Л. В., Бакоев С. Ю., Колосов А. Ю. Полногеномный поиск вариаций числа копий, ассоциированных с параметрами крови у свиней крупной белой породы. ФГБНУ ФАНЦ Северо-Востока, Журнал "Аграрная наука Евро-Северо-Востока", г. Киров, 26(2):357–368 (год публикации - 2025)
10.30766/2072-9081.2025.26.2.357-368

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В ходе реализации проекта в 2024-2025 г.г. выполнено расширение экспериментальной базы исследований: для повышения точности GWAS была увеличена база полногеномных данных на 100 образцов, получены новые данные фенотипов продуктивности и состояния конечностей. Результаты исследований показали, что целенаправленный отбор на повышение плодовитости свиноматок приводит к процессам, которые коррелируют с риском развития дефектов конечностей. В результате использования двух подходов полногеномного ассоциативного анализа (GWAS) и подписей селекции были выявлены генетические варианты и пути, связанные с общим количеством рожденных поросят (TNB), а также изучены потенциальные негативные последствия интенсивного отбора по репродуктивным признакам, в частности, образование дефектов конечностей в виде шишек и наростов на конечностях свиней. Для повышения точности GWAS использовали и протестировали пять моделей, включая четыре алгоритма машинного обучения. В результате исследований было выявлено 47 SNP, локализованных в генах, которые играют важную роль на разных этапах супоросности свиноматки. В данной работе впервые наиболее значимые варианты, связанные с общим числом рожденных поросят (TNB), были протестированы на потенциальную связь с предрасположенностью к опухолям на скакательных суставах задних конечностей свиней. Выявлено 6 SNP, которые показали сильную статистическую связь с новообразованиями конечностей и представляют собой интронные варианты в генах CCDC3, ULK4 и MINDY4 и др. С помощью идентификации областей гомозиготности (ROH/HBD) и полногеномного поиска ассоциаций (GWAS) были выявлены генетические механизмы и биологические процессы, связанные с формированием дефектов конечностей свиней. Установлено, что регионы аутозиготности, унаследованные примерно восемь лет назад (R_16), связаны с образованием дефектов конечностей, тогда как более древние регионы (R_256, более 120 лет) могут указывать на устойчивость. С помощью GWAS было идентифицировано 27 SNP достигших уровня значимости, причем один SNP (rs325478346) достиг значимости по всему геному. Эти маркеры локализуются в генах, связанных с метаболизмом липидов (VIPR2 и CFTR), воспалением (MTURN и ADCY2), целостностью соединительной ткани (COL27A1), регенерацией мышц (PAMR1), транспортом ионов (KCNIP4 и NALCN) и регуляцией внеклеточного матрикса (CEP120 и SCUBE3). Определены гематологические и биохимические показатели крови свиней, оценена их связь с дефектами на конечностях, определены значимые генетические варианты, ассоциированные с генетической изменчивостью параметров крови. C использованием линейной логистической регрессии, усиленной методом главных компонент PCA были предложены 6 показателей параметров крови (LYM, HGB, MCHC, T.Bil, TP, ALP), которые имеют значительное влияние на наличие или отсутствие дефектов на конечностях свиней. Исследования на основе GWAS с применением смешанной линейной модели ассоциации (MLMA) в программе GCTA (1.94.1) позволили определить значимые генетические варианты, ассоциированные с изменчивостью параметров крови. Идентифицировали в общей сложности 87 значимых SNP, определили 42 гена-кандидата, связанных с изучаемыми признаками крови. Заключительным этапом было изучение комплексных признаков полученных в ходе реализации проекта и разработать модель для прогнозирования дефектов конечностей у свиней на основе данных полногеномного генотипирования, а также дополнительных параметров, таких как показатели крови и данные по областям аутозиготности (инбридингу). По результатам сравнительного анализа метрик различных моделей предложена модель XGBoost, обученная на 12 SNP плюс данные по крови (LYM, HGB, MCHC, T.Bil, TP, ALP) и инбридингу (на тестовых данных точность 0,88, специфичность 0,91, чувствительность 0,82). Впервые был предложен и апробирован принципиально новый метод анализа гомозиготных участков генома (ROH) на основе их визуализации и классификации с применением сверточных нейросетей (CNN). Модель на тестовых данных продемонстрировала точность 0,79 (95% ДИ: 0,6319–0,897), что указывает на ее способность различать животных с дефектами и без них на основе карт ROH. Работа содержит множество научно новых результатов, которые расширяют наше понимание генетической архитектуры сложных признаков, таких как дефекты конечностей. Преимущество работы заключается в комплексном изучении признаков, использовании различных подходов к проведению генетических исследований, а также комплекса биоинформационных инструментов, в том числе алгоритмов машинного обучения и нейросетей. Предложен новый методологический подход, который не только повышает точность прогноза, но и меняет парадигму использования геномных данных и открывает возможности перехода к персонализированному управлению продуктивностью и здоровьем животных. Таким образом, молекулярно-генетические исследования позволяют предположить биологические механизмы, связанные с формированием дефектов на конечностях свиней и выделить ключевые процессы: воспаление и модуляция иммунного ответа, хроническая активация которого лежит в основе дегенеративных изменений, ремоделирования тканей, балансе между синтезом и деградацией матрикса, так как их дисфункция приводит к фиброзу. Механическая нагрузка, т.е. локализация дефектов в зонах высокого давления (суставов) объясняется комбинацией генетической предрасположенности и средовых факторов. Выявленные SNP и гены-кандидаты открывают возможности для селекционной работы с учетом аллелей риска. Разработанные модели, включающие геномные данные с физиологическими параметрами и временными аспектами инбридинга позволяют с высокой достоверностью прогнозировать эти состояния для разведения высокопродуктивных свиней не отягощенных дефектами конечностей.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Сформированная в результате выполнения проекта информационная база представляет, в том числе, научный задел для широкого спектра исследований в области генетики сельхозживотных. Предложен новый методологический подход, который не только повышает точность прогноза, но и меняет парадигму использования геномных данных и открывает возможности перехода к персонализированному управлению продуктивностью и здоровьем животных. Кроме того, открывает возможности для расширения метода на другие сельскохозяйственные виды, включая крупный рогатый скот и овец. Таким образом, данная работа задает новое многообещающее направление. На основе выявленных в ходе реализации проекта SNP и генов-кандидатов возможно создание и коммерциализация панелей SNP или кастомных панелей (с ограниченным количеством SNP) для ранней диагностики предрасположенности к дефектам конечностей, которые будут значительно дешевле аналогов за счет малого количества ключевых маркеров. Разработанная нами технология, объединяющая геномный анализ, визуализацию и глубокое обучение нейросетей - это большой шаг к новому поколению цифровой генетической диагностики в животноводстве. На сайте РНФ опубликован пресс-релиз: https://rscf.ru/news/release/geneticheskiy-analiz-na-osnove-neyrosetey-pomozhet-v-selektsii-selskokhozyaystvennykh-zhivotnykh/ А также в СМИ: https://ria.ru/20250513/nauka-2016536192.html https://inscience.news/ru/article/russian-science/18554 https://innovanews.ru/info/news/zoo/nejjroset-opredeljaet-porodu-svinejj-bez-oshibok/