Lo sforzo di sei anni ha coinvolto un consorzio internazionale di ricercatori ed è la prima sequenza completa del genoma di qualsiasi specie di ruminanti. I ruminanti sono distintivi in quanto hanno uno stomaco a quattro camere che – con l’aiuto di una moltitudine di microbi residenti-consente loro di digerire foraggi di bassa qualità come l’erba.
Il genoma bovino è costituito da almeno 22.000 geni codificanti proteine ed è più simile a quello degli esseri umani che ai genomi di topi o ratti, riferiscono i ricercatori. Tuttavia, il genoma del bestiame sembra essere stato significativamente riorganizzato in quanto il suo lignaggio divergeva da quelli di altri mammiferi, ha detto University of Illinois animal sciences professor Harris Lewin, il cui laboratorio ha creato la mappa fisica ad alta risoluzione dei cromosomi bovini che è stato utilizzato per allineare la sequenza. Lewin, che dirige l’Istituto per la biologia genomica, ha anche guidato due team di ricercatori sul progetto di sequenziamento ed è autore di un articolo di prospettiva su Science on the bovine genome sequence e di uno studio di accompagnamento del Consorzio Bovine Genome and Analysis.
“Tra i mammiferi, i bovini hanno uno dei genomi più altamente riorganizzati”, ha detto Lewin. “Sembrano avere più traslocazioni e inversioni (di frammenti cromosomici) rispetto ad altri mammiferi, come gatti e persino maiali, che sono strettamente correlati al bestiame.
“L’essere umano è in realtà un genoma molto conservato rispetto al genoma ancestrale di tutti i mammiferi placentari, se si guarda alla sua organizzazione complessiva.”
La sequenza delle 29 coppie di cromosomi della mucca e del suo cromosoma X (il cromosoma Y non è stato studiato) fornisce anche nuove intuizioni sull’evoluzione dei bovini e sui tratti unici che rendono i bovini utili agli esseri umani, ha detto Lewin.
Ad esempio, Illinois animal sciences research professor Denis Larkin ha condotto un’analisi delle regioni cromosomiche che sono inclini alla rottura quando una cellula replica il suo genoma in preparazione per la creazione di spermatozoi e cellule uovo. Ha dimostrato che nel genoma del bestiame queste regioni punto di interruzione sono ricche di sequenze ripetitive e duplicazioni segmentali e comprendono variazioni specie-specifiche nei geni associati con l’allattamento e la risposta immunitaria.
Un precedente studio del laboratorio di Lewin pubblicato questo mese su Genome Research ha dimostrato che le regioni di breakpoint dei cromosomi di molte specie sono ricche di geni duplicati e che le funzioni dei geni trovati in queste regioni differiscono significativamente da quelle che si verificano altrove nei cromosomi.
Queste ripetizioni e duplicazioni segmentali avvengono per mezzo di molti meccanismi diversi, uno dei quali comporta inserimenti sporadici e ripetuti di brevi frammenti di materiale genetico, chiamati retroposoni, nel genoma.
“Il genoma della mucca ha molti tipi di ripetizioni che si accumulano nel tempo”, ha detto Lewin. “E una delle cose che abbiamo trovato è che i nuovi stanno esplodendo dove i vecchi sono nelle regioni del punto di interruzione e li separano. E ‘ la prima volta che lo si vede.”
“Le ripetizioni fanno molte cose”, ha detto. “Possono cambiare la regolazione dei geni. Possono rendere i cromosomi instabili e renderli più propensi a ricombinarsi con altri pezzi di cromosomi in modo inappropriato.”
Lewin chiama le regioni breakpoint ” hotspot di evoluzione nel genoma.”
Un’altra analisi guidata da Lewin, uno studio di geni metabolici eseguita da Seongwon Seo, un collega post-dottorato in laboratorio di Lewin e ora professore presso la Chungnam National University in Corea del Sud, ha scoperto che cinque dei 1.032 geni dedicati alle funzioni metaboliche negli esseri umani mancano dal genoma del bestiame o hanno radicalmente divergenti. Ciò suggerisce che il bestiame ha alcune vie metaboliche uniche, Lewin ha detto.
Queste differenze nel metabolismo, insieme ai cambiamenti nei geni dedicati alla riproduzione, all’allattamento e all’immunità sono una grande parte di “ciò che rende una mucca una mucca”, ha detto Lewin.
Ad esempio, uno dei geni modificati, l’istatherina, produce una proteina nel latte vaccino che ha proprietà antimicrobiche. I ricercatori hanno anche trovato più copie di un gene per un’importante proteina del latte, la caseina, in una regione del punto di interruzione di uno dei cromosomi.
“Avere la sequenza del genoma è ora la finestra per capire come si sono verificati questi cambiamenti, come i ruminanti hanno finito con uno stomaco a quattro camere invece di uno, come funziona il sistema immunitario della mucca e come è in grado di secernere grandi quantità di proteine nel suo latte”, ha detto Lewin.
Il progetto di sequenziamento e l’analisi sono stati coordinati da Richard Gibbs e George Weinstock, del Baylor College of Medicine; Chris Elsik, della Georgetown University; e Ross Tellam, del Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization of Australia (CSIRO). University of Illinois animal sciences professor Lawrence Schook era nel team che ha scritto il progetto di sequenziamento white paper, che è stato determinante nel garantire i finanziamenti per l’iniziativa.
Il finanziamento per il progetto di sequenziamento del genoma del bestiame è stato fornito da un gruppo internazionale costituito dal National Human Genome Research Institute presso il National Institutes of Health; il servizio di ricerca USDA; una sovvenzione speciale dall’USDA Cooperative State Research, Education and Extension Service (CSREES) National Research Initiative; lo stato del Texas; Genome Canada attraverso Genome British Columbia; l’Alberta Science and Research Authority; CSIRO; Agritech Investments Ltd., Nuova Zelanda; Dairy Insight Inc., Nuova Zelanda; AgResearch Ltd., Nuova Zelanda; il Consiglio di Ricerca della Norvegia; la Fondazione Kleberg; e il National, Texas e South Dakota Beef Check-off Fondi.
Il lavoro in Illinois è stato eseguito con il finanziamento dell’USDA CSREES National Research Initiative e una sovvenzione speciale USDA-CSREES per l’iniziativa di sequenziamento del genoma del bestiame.
Insieme ai documenti scientifici, i ricercatori hanno pubblicato 20 rapporti di accompagnamento che descrivono analisi più dettagliate della sequenza del genoma del bestiame domestico in riviste dell’editore open access BioMed Central. Tutti gli articoli sono liberamente accessibili a http://www.biomedcentral.com/series/bovine.