Потенциальный биомаркер: прогнозирование кетоза коров

Кетоз является одним из основных распространенных нарушений обмена веществ у молочных коров, на которое влияют как генетические факторы, так и факторы питания. Изучение измененной экспрессии генов является значительным шагом в направлении определения потенциальных молекулярных маркеров для прогнозирования частоты кетоза.

Исследователи из Сычуаньского сельскохозяйственного университета провели исследование, в котором они использовали метод транскриптома цельной крови для изучения связанного изменения экспрессии генов с клиническим кетозом у молочных коров. Это исследование было частью проспективного исследования, предназначенного для выяснения молекулярных механизмов и выявления прогностических биомаркеров клинического кетоза. Их результаты могут существенно помочь нам понять лежащие в основе молекулярные механизмы возникновения и прогрессирования кетоза у молочных коров. Предыдущие исследования выявили значительные генетические корректировки между кетозом и другими параметрами здоровья, предполагая, что генетический отбор для повышения устойчивости к кетозу возможен. Тем не менее, связь между различиями в экспрессии генов и частотой возникновения и прогрессирования кетоза остается неясной.

Кетоз является распространенным нарушением обмена веществ у молочных коров, которое может привести к огромным экономическим потерям из-за снижения производства молока, ухудшения репродуктивных функций и увеличения частоты других заболеваний – исследования показывают, что повышение уровня кетоновых тел, таких как β-гидроксибутират, в системном кровообращении способствует метаболическому ацидозу. Кетоз также может значительно увеличить риск смещения сычуга, хромоты и метрита. Что обычно наблюдается на ранних стадиях лактации, так это то, что коровы более склонны страдать от отрицательного энергетического баланса (NEB) из-за производства молока и ограниченного потребления корма. NEB у коров раннего периода лактации характеризуется недостаточностью глюконеогенеза печени для обеспечения достаточного количества глюкозы для поддержания лактации. Если не удастся должным образом адаптировать метаболические нарушения, вызванные NEB, и / или бороться с ними, у коров в конечном итоге разовьется субклинический или клинический кетоз. Наряду с NEB наблюдается массовая мобилизация жира из различных жировых депо, что приводит к β-окислению жирных кислот в митохондриях печени для выработки энергии, но перегрузка жирными кислотами возникает вследствие повышенной концентрации кетоновых тел и синдрома жировой дистрофии печени.

Исследование
В своем исследовании исследователи использовали 9 коров голштинской породы с диагнозом клинический кетоз и 10 здоровых контрольных коров, у которых были взяты образцы цельной крови как до, так и после родов. Были определены 4 группы образцов крови: коровы с кетозом до родов (PCK, N = 9) и после родов (CK, N = 9), соответственно, и контрольные коровы до родов (PHC, N = 10) и после родов (HC, N = 10).

Для исследования экспрессии генов использовался метод RNA-Seq, с помощью которого в общей сложности было определено 27 233 гена с помощью 4 миллиардов высококачественных считываний. Они выявили 75 и 4 дифференциально экспрессируемых гена (DEG) у больных и контрольных коров в послеродовой период и до родов соответственно, что указывало на то, что у больных и контрольных коров были схожие паттерны экспрессии генов в предродовой период. Между послеродовым периодом и до родов у больных коров было 95 градусов, что показало пониженные изменения экспрессии генов в течение этого переходного периода по сравнению со здоровыми коровами (428 градусов). Уровни DEG в разных группах были проанализированы с использованием пакета DESeq2 R (версия v1.22.2).

Выявление кетоза
Клиническими признаками кетоза могут быть повышенные концентрации кетоновых тел в крови, таких как β-гидроксибутират (BHBA), ацетоацетат и ацетон. Стандартным диагностическим тестом на кетоз является концентрация BHBA в крови, для определения которой используются различные контрольные значения, варьирующиеся в некоторых исследованиях от 1,0 мм до 1,4 мм, в то время как в некоторых исследованиях используются более высокие контрольные значения BHBA, такие как 1,6 мм и 1,8 мм. В настоящем исследовании исследователи консервативно использовали 2,6 мМ BHBA в качестве порогового значения для определения коров с клиническим кетозом по двум соображениям. Во-первых, они пытались избежать ложноположительного клинического кетоза, увеличивая пороговое значение. Во-вторых, из их предыдущего полевого опыта было замечено, что у коров с содержанием BHBA в крови ≥ 2,6 мМ наблюдалось явное снижение потребления пищи и выработки молока.

Дифференциальная экспрессия генов
У коров с послеродовым кетозом (CK) и послеродовой контрольной (группы HC) было обнаружено, что в общей сложности 75 генов экспрессируются по-разному, 27 генов имели более высокий относительный уровень экспрессии в группе CK, чем в группе HC, и еще 48 генов значительно снижены в группе CK. Однако только четыре гена, синтаксин 1A (STX1A), протеинкиназа, обогащенная поперечно-полосатыми мышцами (SPEG), ENSBTAG00000053952 и ENSBTAG00000051641, были дифференциально экспрессированы при сравнении с коровами, страдающими кетозом, в предродовой (PCK) и контрольной (PHC) группах. Среди этих четырех DEG синтаксин 1A (STX1A) был одновременно значительно более высоко экспрессирован у больных коров как до, так и после родов.

Ген биомаркера
Эти исследователи вывели (из нескольких исследований), что синтаксин 1A (STX1A) как пресинаптический белок у людей широко экспрессируется в головном мозге, эндокринной системе, сердце и других органах. Кроме того, STX1A был связан с ишемией-реперфузией миокарда путем регуляции сигнальных путей KATP и кальциевых каналов. Более того, STX1A опосредует вызванное изофлураном ослабление гипоксии-реоксигенационного повреждения кардиомиоцитов крыс. Уровень экспрессии STX1A также связан со стимуляцией, такой как стресс, ишемия и гипоксия / реоксигенация при сердечно-сосудистых заболеваниях. Эти результаты свидетельствуют о потенциальной роли STX1A в стрессе окружающей среды и гомеостазе ионов, который играет важную роль в процессе кетоза. Его можно считать таким же полезным, как скрининг, диагностика и прогностические биомаркеры коров, страдающих кетозом.

В целом, исследователи предположили, что уровень экспрессии STX1A потенциально может быть использован в качестве нового биомаркера кетоза, поскольку это был единственный ген, который был высоко экспрессирован у больных коров как до, так и после родов. Эти результаты могут внести значительный вклад в понимание основных молекулярных механизмов возникновения и прогрессирования кетоза у молочных коров.