A genomic solution to reduce clinical mastitis in Norwegian Red cattle

Populærvitenskapelig framstilling: Mastitt er den mest vanlige storfesykdommen i verden. Sykdommen fører til store økonomiske kostnader for melkeprodusenter og innebærer negative konsekvenser for dyrevelferden. Norge var det første landet i verden som etablerte et nasjonalt helsekortsystem på storfe for mer enn 30 år siden. Siden da har man har samlet inn, systematisert og lagret unik informasjon på individnivå for helse, reproduksjon, kjøtt- og melkeproduksjon og omfanget og kvaliteten på disse registreringene, kombinert med detaljert slektskapsoversikt i populasjonen, samt tilgang på biologisk materiale (sæd/blod), gjør at Norge i dag har en av verdens mest attraktive biobankene for funksjonell genomforskning på storfe. I dette prosjektet har vi benyttet oss av data fra den biobanken sammen med nye og innovative metoder innen funksjonell genomanalyse (ny sekvenseringsteknologi i kombinasjon med storskala genotyping- og genekspresjonsanalyser) til å identifisere gener og synteseveier involvert i resistens og utvikling av klinisk mastitt hos storfe. Et stort biobankmateriale på over 3300 okser i Norsk Rødt Fe avkomstgransket for klinisk mastitt har blitt genotypet og 'imputert' til et samlet datasett med mer enn 500,000 genetiske markører (SNPer). En kobling av disse SNPene med mastittregistringer har identifisert områder på kromosom 6 (BTA6) og kromosom 20 (BTA20) som påvirker forekomsten av mastitt og melkeproduksjonsegenskaper. Videre har vi brukt helgenomsekvensering av 21 eliteokser til å identifisere mulig kausal variasjon i QTL områdene. Alle analyser på BTA6 peker på group-specific component (GC) genet som mest sannsynlig kandidatgen QTLen på dette kromosomet. GC produserer et protein som har en rekke funksjoner som kan knyttes opp mot immunforsvaret. Blant annet transporterer det vitamin D til steder som er infisert av bakterier, hvor vitamin D så inngår i immunresponsen. GC-proteinet er også antatt å virke som en makrofag-aktiverende faktor, samt en del andre immunrelaterte funksjoner. En større duplikasjon nedstrøms for genet har blitt identifiser som sannsynlig kausal årsak til funksjonelle endringer i genet. Storskala mRNA sekvensering (RNAseq) av leverprøver fra dyr med ulike QTL-genotyper er generert og analyseres nå for å dokumentere disse effektene. Analysene på BTA20 peker på litt større område fra 27-41 Mb som inneholder flere QTLer som påvirker klinisk mastitt, melkemengde og mengde melkeprotein. Ikke uventet viser resultatene en viss samvariasjon mellom disse QTLene der et SNP-allel koblet til mindre mastitt også er koblet til høyere melkemengde og mer protein i melka. Sammenhengen er derimot ikke fullstendig noe som tilsier at SNPer kan brukes i seleksjon for å endre begge egenskaper i en ønsket retning. Parallelt med QTL arbeidene på BTA6 og BTA20 har vi arbeidet mer generelt med ekspresjon og funksjon av gener involvert i førstelinje forsvar mot mastittpatogener. Plassering av gener som forandrer uttrykk (på mRNA nivå) i jurvev og cellekulturer fra storfe som følge av eksponering med mastittpatogene bakterier (Staph. aureus, E. coli, Strep. uberis) er analysert i forhold til kromosomområder (QTL) assosiert med mastitt i norske kyr. Listen med gener i aktuelle kromosomområder (eQTL lister) er videre analysert for genetiske nettverk og reaksjonsveier ("pathways"). Spesielt interessant er funnet av signalveier (IL-17 og IL-8) for rekruttering og migrering av inflammatoriske celler fra lymfe og blod inn i vev under inflammasjon og infeksjon Vi har også analysert genuttrykk i makrofagceller fra NRF okser etter eksponering med Staph. aureus bakterier, dvs. den mest vanlige årsaken til mastitt i Norge. GENO plukket ut totalt 23 okser, 11 med god og 12 med dårlig mastitt avlsverdi, til analysene. Resultatene viser at det er forskjell mellom makrofagceller fra okser med god og med dårlig avlsverdi. Cellene fra dyr med god avlsverdi gir kraftigere respons, dvs. høyere uttrykk av cytokin-gener enn cellene fra dyr med dårlig avlsverdi. Dette tyder på at evne til å sende ut signalstoffer for cellemigrasjon er sentral i forbindelse med forsvar mot mastitt. Kort oppsummert kan vi konkludere med å ha oppfylt hovedmålsetningen i prosjektet som var å identifisere en rekke gener og synteseveier som påvirker forekomsten av klinisk mastitt i norsk husdyrproduksjon. Prosjektet har således produsert grunnleggende kunnskap av betydning for å øke den biologiske forståelsen av egenskapen. Samtidig har vi framskaffes informasjonen kan brukes i forebyggende helsearbeid og praktisk avlsarbeid for å bedre dyrevelferden og redusere bruken av antibakterielle midler i Norge.

Identifying the genes and pathways responsible for clinical mastitis in Norwegian Red cattle is the primary focus of this application. Mastitis is an important disease affecting dairy herds worldwide, and leads to economic loss, poor animal health, cullin g, and reduced food quality/safety. A comprehensive breeding program operating in Norway has helped guide selective breeding and resulted in a significant decrease in disease incidence and savings of hundreds of millions of NOK. A large part of this benef it is derived from genetic gain, which testifies to an underlying biochemical cause. While phenotypic data is available for Norwegian Red, the ability to resolve causative genes and loci has been technically limited. New state-of-the-art technologies with in sequencing, genotyping and gene expression analyses make it realistic to dissect the genetics behind a complex trait like clinical mastitis. We will utilize our infrastructure and collaborative networks to identify large numbers of SNPs, develop genoty ping assays and expression analysis to target pathways of interest. Our instrumentation, know-how and multidisciplinary setting make us well able to meet these demands. The project will contribute considerably to the general knowledge base on the bovine g enome, and will be of great benefit in the understanding and eradication of clinical mastitis. Implementation of this information in the breeding scheme will have a huge innovative profile, and enable marker and gene assisted selection with consequent ben efits in animal health, productivity, and food safety.