پیش‌بینی جزایر CpG و بررسی ارتباط آنها با ویژگی‌های ژنومی با استفاده از مدل مخفی مارکوف در گاو

Subject Areas : Camel

A. برازنده ¹ , م.ر. محمدآبادی ² , م. قادری ³ , ح. نظام آبادی پور ⁴

1 - Department of Animal Science, Shahid Bahonar University of Kerman, Kerman, Iran|Department of Animal Science, University of Jiroft, Jiroft, Iran
2 - Department of Animal Science, Shahid Bahonar University of Kerman, Kerman, Iran
3 - Department of Animal Science, University of Yasouj, Yasouj, Iran
4 - Department of Electrical Engineering, Shahid Bahonar University of Kerman, Kerman, Iran

Received: 2015-09-26 Accepted : 2016-02-15 Published : 2016-09-01

Keywords: گاو, جزایر CpG, اپی ژنومیک, ژنوم, مدل مخفی مارکوف,

Abstract :

گاو یکی از مهمترین تأمین کننده­های مواد غذایی و مغذی بشر در جهان است. جزایر CpG نواحی مهم و مفیدی هستند که دارای ارتباط عملکردی با رویداد­های مهم اپی ژنتیکی در سطح ژنوم می­باشند. با توجه به اینکه تاکنون جزایر CpG در سطح ژنوم گاو بررسی نشده­اند هدف از این مطالعه بررسی این جزایر در ژنوم گاو با استفاده از مدل­های محفی مارکوف است. تعداد 90668 جزیره CpG در ژنوم گاو پیش­بینی گردید. تغییرات تعداد و تراکم جزایر CpG در طول کروموزوم­ها بسیار کم بود. کروموزوم 25 دارای بیشترین تعداد (4556) و تراکم (CGIs/Mb 106٫20) جزایر CpG بود. همبستگی مثبت و معنی­دار بین تراکم جزایر CpG با محتوی GC، نسبت مشاهده شده به مورد انتظار CpG، نرخ نوترکیبی و تراکم ژن مشاهده گردید. با افزایش سایز کروموزم­ها تراکم جزایر CpG کاهش یافت و همچنین تراکم جزایر CpG در نواحی تلومری کروموزم­ها بیشتر از سایر قسمت­ها مشاهده گردید که می­تواند علت همبستگی مثبت بین نرخ نوترکیبی و تراکم جزایر CpG باشد. جهت یافتن تفاوت­های جزایر CpG بین ژنوم گاو و سایر مهره­داران جزایر CpG در یازده مهره­دار دیگر بررسی گردید. تغییرات تراکم جزایر CpG در بین حیوانات مورد مطالعه بسیار متفاوت بود. یافته­های این مطالعه می­تواند در درک بهتر نقش اپی ژنتیکی و نقش تکامل مولکولی جزایر CpG در ژنوم گاو مؤثر باشد.

References:

Amiri Roudbar M., Mohammadabadi M.R. and Salmani V. (2015). Epigenetics: a new challenge in animal breeding. Genet. Third Mel. 12(4), 3736-3751.

Archibald A.L., Cockett N.E., Dalrymple B.P., Faraut T., Kijas J.W., Maddox J.F., McEwan J.C., Hutton Oddy V., Raadsma H.W. and Wade C. (2010). The sheep genome reference sequence: a work in progress. Anim. Genet. 41, 449-453.

Chuang L.Y., Huang H.C., Lin M.C. and Yang C.H. (2011). Particle swarm optimization with reinforcement learning for the prediction of CpG islands in the human genome. PLoS One. 6, 21-36.

Chuang L.Y., Yang C.H. and Lin M.C. (2012). CpGPAP: CpG island predictor analysis platform. BMC Genet. 13, 13.

Deaton A. and Bird A. (2011). CpG islands and the regulation of transcription. Gen. Dev. 25, 1010-1022.

Dong Y., Xie M., Jiang Y., Xiao N., Du X., Zhang W., Tosser-Klopp G., Wang J., Yang S. and Liang J. (2013). Sequencing and automated whole-genome optical mapping of the genome of a domestic goat (Capra hircus). Nat. Biotechnol. 31, 135-141.

Elsik C.G., Tellam R.L., Worley K.C., Gibbs R.A., Muzny D.M., Weinstock G.M., Adelson D.L., Eichler E.E., Elnitski L. and Guigó R. (2009). The genome sequence of taurine cattle: a window to ruminant biology and evolution. Science. 324, 522-528.

Gardiner-Garden M. and Frommer M. (1987). CpG islands in vertebrate genomes. J. Mol. Biol. 196, 261-282.

Glass J.L., Thompson R.F., Khulan B., FigueroaM.E., Olivier E. N., Oakley E.J., Zant G. Van Bouhassira E.E., Melnick A. and Golden A. (2007). CG dinucleotide clustering is a species-specific property of the genome. Nucleic Acids. Res. 35, 6798-6807.

Hackenberg M., Previti C., Luque-Escamilla P.L., Carpena P., Martinez-Aroza J. and Oliver J.L. (2006). CpGcluster: a distance-based algorithm for CpG island detection. BMC Bioinformatics. 7, 446.

Hackenberg M., Barturen G., Carpena P., Luque-Escamilla P.L., Previti C. and Oliver J.L. (2010). Prediction of CpG island function: CpG clustering vs. sliding window methods. BMC Genom. 11, 327.

Han L., Su B., Li W.H. and Zhao Z. (2008). CpG island density and its correlations with genomic features in mammalian genomes. Genome. Biol. 9(5), 1-12.

Han L. and Zhao Z. (2008). Comparative analysis of CpG islands in four fish genomes. Comp. Funct. Genomics. 2008, 565631.

Han L. and Zhao Z. (2009). Contrast features of CpG islands in the promoter and other regions in the dog genome. Genomics. 94, 117-124.

Hillier L.W., Miller W., Birney E., Warren W., Hardison R.C., Ponting C.P., Bork P., Burt D.W., Groenen M.A.M. and DelanyM.E. (2004). Sequence and comparative analysis of the chicken genome provide unique perspectives on vertebrate evolution. Nature. 432, 695-716.

Irizarry R.A., Wu H. and Feinberg A.P. (2009). A species-generalized probabilistic model-based definition of CpG islands. Mamm. Genome. 20, 674-680.

Jensen-Seaman M.I., Furey T.S., Payseur B.A., Lu Y., Roskin K.M., Chen C., Thomas M.A., Haussler D. and Jacob H.J. (2004). Comparative recombination rates in the rat, mouse, and human Genomes. Genome. Res. 14, 528-538.

Jirimutu Wang Z., Ding G., Chen G., Sun Y., Sun Z., Zhang H., Wang L., Hasi S. and Zhang Y. (2012). Genome sequences of wild and domestic bactrian camels. Nat. Commun. 3, 1202-1212.

McQueen H.A., Fantes J., Cross S.H., Clark V.H., Archibald A.L. and Bird A.P. (1996). CpG islands of chicken are concentrated on microchromosomes. Nat. Genet. 12, 321-324.

Medvedeva Y.A., Fridman M.V, Oparina N.J., Malko D.B., Ermakova E.O., Kulakovskiy I.V, Heinzel A. and Makeev V.J. (2010). Intergenic, gene terminal and intragenic CpG islands in the human genome. BMC Genomics. 11, 48.

Poissant J., Hogg J.T., Davis C.S., Miller J.M., Maddox J.F. and Coltman D.W. (2010). Genetic linkage map of a wild genome: genomic structure, recombination and sexual dimorphism in bighorn sheep. BMC Genomics. 11, 524.

Quinlan A.R. and Hall I.M. (2010). BEDTools: a flexible suite of utilities for comparing genomic features. Bioinformatics. 26, 841-842.

Rabiner L.R. (1989). Tutorial on hmm and applications. IEEE J. 77, 257-286.

Rao Y.S., Chai X.W., Wang Z.F., Nie Q.H. and Zhang X.Q. (2013). Impact of GC content on gene expression pattern in chicken. Genet. Sel. Evol. 45, 9.

Rice P., Longden I. and Bleasby A. (2000). EMBOSS: the European molecular biology open software suite. Trends. Genet. 16, 276-277.

Saito Y., Nagae G., Motoi N., Miyauchi E., Ninomiya H., Uehara H., Mun M., Okumura S., Ohyanagi F. and Nishio M. (2016). Prognostic significance of CpG island methylator phenotype in surgically resected small cell lung carcinoma. Cancer Sci. 107(3), 320-325.

Su J., Zhang Y., Lv J., Liu H., Tang X., Wang F., Qi Y., Feng Y., and Li X. (2010). CpG_MI: a novel approach for identifying functional CpG islands in mammalian genomes. Nucleic Acids. Res. 38, 6.

Takai D. and Jones P.A. (2002). Comprehensive analysis of CpG islands in human chromosomes 21 and 22. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 99, 3740-3745.

Tan B., Yin Y., Liu Z., Tang W., Xu H., Kong X., Li X., Yao K., Gu W. and Smith S.B. (2011). Dietary L-arginine supplementation differentially regulates expression of lipid-metabolic genes in porcine adipose tissue and skeletal muscle. J. Nutr. Biochem. 22, 441-445.

Tortereau F., Servin B., Frantz L., Megens H.J., Milan D., Rohrer G., Wiedmann R., Beever J., Archibald A.L. and Schook L.B. (2012). A high density recombination map of the pig reveals a correlation between sex-specific recombination and GC content. BMC Genomics. 13, 586.

Vercelli D. (2016). Does epigenetics play a role in human asthma? Allergol. Int. 65, 123-126.

Wang Y. and Leung F.C.C. (2004). An evaluation of new criteria for CpG islands in the human genome as gene markers. Bioinformatics. 20, 1170-1177.

Weng Z.Q., Saatchi M., Schnabel R.D., Taylor J.F. and Garrick D.J. (2014). Recombination locations and rates in beef cattle assessed from parent-offspring pairs. Genet. Sel. Evol. 46, 34-41.

Willham R.L. (1986). From husbandry to science: a highly significant facet of our livestock heritage. J. Anim. Sci. 62, 1742-1758.

Wu H., Caffo B., Jaffee H.A., Irizarry R.A. and Feinberg A.P. (2010). Redefining CpG islands using hidden Markov models. Biostatistics. 11, 499-514.

Wu H., Guang X., Al-Fageeh M.B., Cao J., Pan S., Zhou H., Zhang L., Abutarboush M.H., Xing Y. and Xie Z. (2014). Camelid genomes reveal evolution and adaptation to desert environments. Nat. Commun. 5, 5188-5197.

Yang C.H., Lin Y.D., Chiang Y.C. and Chuang L.Y. (2016). A hybrid approach for CpG island detection in the human genome. PLoS One. 11, 23-36.