GenoPloV
Financira: Europska unija
Vrsta projekta: Institucionalni istraživački projekt
Kod projekta: 1-24-AGR17-581
Naziv projekta: Genomska analiza goveda u veremenu i prostoru (GenoPloV).
Ukupno tražena sredstva (EUR): 120.000,00
Trajanje projekta: 1.10.2025. do 30.09.2029.
Ustanova u kojoj se izvodi projekt:
Sveučilište u Zagrebu Agronomski fakultet
prof. dr. sc. Aleksandar Mešić
Svetošimunska cesta 25, 10000 Zagreb, Hrvatska
Tel: +385 1 239 3779
Faks: +385 1 231 5300
E-mail: dekanat@agr.hr
Voditelj projekta:
Sveučilište u Zagrebu Agronomski fakultet
Zavod za opće stočarstvo
Laboratorij za arheogenetiku
prof. dr. sc. Vlatka Čubrić Čurik
Tel: +385 1 239 4008
E-mail: vcubric@agr.hr
Suradnici s Agronomskog fakulteta:
ANGEN tim
Vanjski suradnici:
dr. sc. Dinko Novosel, Veterinarski institut u Zagrebu
izv. prof. dr. sc. Rajna Šošić Klindžić, Sveučilište u Zagrebu, Filozofski fakultet
dr. sc. Goran Tomac, Sveučilište u Zagrebu, Filozofski fakultet
dr. sc. Preston Miracle, Univesity of Cambridge
dr. sc. Konstantina Saliari, Naturhistorisches Museum, Beč
Joško Zaninović mag. archeol., Javna ustanova "Nacionalni park Krka"
Sažetak:
Cilj našeg inovativnog „pilot“ projekta je razviti dokaz koncepta za kronološku funkcionalnu genomiku goveda, s posebnim fokusom na nekoliko u govedarstvu važnih gena: i) kazeine (CSN1S1, CSN1S2, CSN2, CSN3), ključni za proizvodnju mlijeka i genetsku arhitekturu mliječnih svojstava, te ii) PLAG1, najvažniji gen za tjelesnu veličinu i morfologiju kostura, važan za interpretaciju arheoloških ostataka. Analizom drevne DNA iz ostataka divljeg tura, drevnih domaćih goveda i modernih pasmina, rekonstruirat će se evolucijske promjene ovih gena tijekom tisućljeća. Projekt će rezultirati izradom baze podataka koja uključuje morfološke karakteristike drevnih kostiju, visoko-rezolutne sekvence ciljnih gena, prostorno-vremenske informacije arheoloških nalazišta i bioinformatičke protokole korištene u analizi. Identifikacija drevnih varijanti kazeina i PLAG1, koje su izgubljene u modernim pasminama, omogućit će izradu kataloga biološki značajnih i pravno dopuštenih ciljeva za precizno oplemenjivanje. Projekt pruža znanstveno utemeljenu osnovu za buduću primjenu gene editinga i predstavlja prvi korak prema većim projektima (npr. ERC) s ciljem razumijevanja uloge glavnih gena velikog utjecaja u oplemenjivanju životinja. Interdisciplinarnim pristupom te aktivnostima usmjerenima na popularizaciju znanosti, projekt nastoji premostiti jaz između arheogenomike, genetike funkcionalnih svojstava i morfološke analize ostataka goveda, pružajući nove uvide u to kako su procesi domestikacije, uzgoja i ljudske selekcije oblikovali ključna svojstva domaćih životinja.
Opis projekta:
Istraživanje drevne DNA (aDNA) značajno je promijenilo naše razumijevanje prošlosti. Prvi uspjesi datiraju iz 1980-ih, a razvoj PCR-a 1984. omogućio je umnažanje vrlo malih količina oštećene DNA (Hofreiter i sur., 2015). Tehnički izazovi — fragmentacija, kemijska oštećenja i kontaminacija — tvorili su ograničenja dok početkom 21. stoljeća napredak tehnologija sekvenciranja nove generacije (NGS) i bolje razumijevanje degradacije DNA nisu omogućili rekonstrukciju čitavih genoma iz kostiju starih tisućama ili stotinama tisuća godina (Pääbo i sur., 2004). aDNA je danas primjenjiv u arheologiji, antropologiji, paleoekologiji i konzervacijskoj biologiji te pruža „genetski glas prošlosti“ za proučavanje evolucije, migracija, bolesti i prilagodbi (Llamas i sur., 2017; Fages i sur., 2019). Domaće govedo podijeljeno je na taurino (Bos taurus taurus) i zebu (Bos taurus indicus). Sve moderne linije potječu od izumrlog tura (Bos primigenius). Taurino govedo pripitomljeno je prije otprilike 11,5–10,5 tisuća godina u Plodnom polumjesecu, dok je zebu pripitomljen kasnije u dolini Inda (Meadow, 1993; Helmer i sur., 2005). Mitohondrijske analize otkrile su jasno razdvajanje glavnih linija T (taurina) i I (indicina), što podupire neovisne događaje pripitomljavanja (Troy i sur., 2001). Potpuniji mitogenomi identificirali su dodatne haplogrupe (P, R, Q, C) i veliku diversifikaciju unutar T (T1–T5), što ukazuje na složenije obrasce pripitomljavanja (Achilli i sur., 2009; Bonfiglio i sur., 2010). Haplogrupa P važna je jer se nalazi u pretkolapsnim europskim divljim govedima, ali je rijetka u modernim pasminama; njen izostanak dugo se tumačio kao dokaz nedostatka značajnog križanja domaćih i divljih populacija tijekom neolitika (Edwards i sur., 2007). Međutim, u našem radu identificirana je majčinska linija P1 u austrijskoj pasmini Murbodner, što predstavlja rani primjer ženske introgresije tura u domaće govedo (CubricCurik et al., 2022). Analize Y-kromosoma pokazuju tri muške haplogrupe (Y1, Y2, Y3) i podržavaju mušku introgresiju divljeg tura u neke regije Europe (Chen i sur., 2018; Pérez-Pardal i sur., 2009, 2010). Nuklearne analize (SNP čip) grupiraju moderno govedo u glavne skupine: euroazijsko taurino, afričko taurino i azijsko zebu, uz brojne hibridizacije (Decker i sur., 2014; McTavish i sur., 2013). Najnovija aDNA istraživanja pokazuju još veću složenost: više valova migracija, lokalne introgresije i neotkriveni haplotipovi (npr. K i G) čine povijest pripitomljavanja heterogenijom nego što se prije mislilo (Rossi i sur., 2024; Ginja i sur., 2024; Günther i sur., 2024). Iako arheogenetika intenzivno rasvjetljuje porijeklo i migracije goveda, malo je istraživanja usmjereno na biološke funkcije gena povezanih s proizvodnim svojstvima u drevnim uzorcima. Moderna genomika je identificirala važne gene i regije putem analiza selekcijskih signala, GWAS i ekspresijskih studija — među njima su geni za kazeine (CSN1S1, CSN2, CSN1S2, CSN3) koji određuju sastav i preradivost mlijeka, te PLAG1, ključan pleiotropski regulator rasta i reprodukcije povezan s velikim QTL-om na kromosomu 14 (Karim i sur., 2011; Littlejohn i sur., 2012; Fortes i sur., 2013). Rani pokušaji ispitivanja PLAG1 u drevnim uzorcima bili su ograničeni brojem uzoraka (Utsunomiya i sur., 2017). Kazeini se dodatno mogu detektirati proteomikom ostataka na keramičkim posudama, dok PLAG1 može ostavljati tragove u arheološkim pokazateljima poput veličine kostiju. Zaključno, aDNA je transformirala arheogenezu i paleogenomiku, otkrivajući kompleksne procese pripitomljavanja, migracija i introgresije kod goveda. Buduća istraživanja koja bolje povežu arheogenetiku s funkcionalnom genomikom (posebice za gene kao što su kazeini i PLAG1) mogla bi dati ključne uvide u povijesne promjene proizvodnih osobina i lokalnih prilagodbi.
Ciljevi projekta:
- Kronološka rekonstrukcija evolucijskih promjena u funkcionalnim genima
- Izrada polivalentne baze podataka s integriranim morfološkim, genetskim i arheološkim podacima s dokumentacijom bioinformatičkih protokola
- Identifikacija izgubljenih funkcionalnih varijanti s potencijalom za oplemenjivanje i uređivanje gena - gene editing
- Izrada modela za popularizaciju znanosti i komercijalizaciju arheogenetike
- Postaviti temelje za prijavu većih znanstvenih projekata
- Unaprijediti znanstvenu izvrsnost Fakulteta i svih sudionika projekta
Radni paketi:
Organizacijski, izvođenje ovog projekta podijeljeno je u slijedećih šest radnih paketa (WP):
- WP1. Izgradnja i integracija baze podataka s digitalizacijom
- WP2. Molekularna aDNA analiza drevnih kosti goveda
- WP3. Bioinformatička analiza i rekonstrukcija haplotipova
- WP4. Identifikacija i katalogizacija funkcionalne drevne genetske varijabilnosti
- WP5. Razvoj modela za popularizaciju i komercijalizaciju arheogenetike
- WP6. Upravljanje projektom i diseminacija
Reference:
1. Achilli, A. i sur. (2008) ‘Mitochondrial genomes of extinct aurochs survive in domestic cattle’, Current Biology, 18(4), pp. R157–R158.
2. Aleandri, R. i sur. (1990) ‘The Effects of Milk Protein Polymorphisms on Milk Components and Cheese-Producing Ability’, Journal of Dairy Science, 73(2), pp. 241–255.
3. Bonfiglio, S. i sur. (2012) ‘Origin and Spread of Bos taurus: New Clues from Mitochondrial Genomes Belonging to Haplogroup T1’, PLOS ONE, 7(6), p. e38601.
4. Bovenhuis, H., Van Arendonk, J.A.M. i Korver, S. (1992) ‘Associations Between Milk Protein Polymorphisms and Milk Production Traits’, Journal of Dairy Science, 75(9), pp. 2549–2559.
5. Chen, N. i sur. (2018) ‘Whole-genome resequencing reveals world-wide ancestry and adaptive introgression events of domesticated cattle in East Asia’, Nature Communications, 9(1), pp. 1– 13.
6. Cubric-Curik, V. i sur. (2021) ‘Large‐scale mitogenome sequencing reveals consecutive expansions of domestic taurine cattle and supports sporadic aurochs introgression’, Evolutionary Applications, 15(4), p. 663.
7. Decker, J.E. i sur. (2014) ‘Worldwide Patterns of Ancestry, Divergence, and Admixture in Domesticated Cattle’, PLOS Genetics, 10(3), p. e1004254.
8. Edwards, C.J. i sur. (2007) ‘Mitochondrial DNA analysis shows a Near Eastern Neolithic origin for domestic cattle and no indication of domestication of European aurochs’, Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 274(1616), pp. 1377–1385.
9. Fages, A. i sur. (2019) ‘Tracking Five Millennia of Horse Management with Extensive Ancient Genome Time Series’, Cell, 177(6), pp. 1419-1435.e31.
10. Fortes, M.R.S. i sur. (2013) ‘Evidence for pleiotropism and recent selection in the PLAG1 region in Australian Beef cattle’, Animal Genetics, 44(6), pp. 636–647.
11. Frantz, L.A.F. i sur. (2020) ‘Animal domestication in the era of ancient genomics’, Nature Reviews Genetics, 21(8), pp. 449–460.
12. Ginja, C. i sur. (2023) ‘Iron age genomic data from Althiburos – Tunisia renew the debate on the origins of African taurine cattle’, iScience, 26(7), p. 107196.
13. Günther, T. i sur. (2024) ‘The Genomic Legacy of Human Management and sex-biased Aurochs hybridization in Iberian Cattle’.
14. Helmer, D. i sur. (2005) ‘Identifying early domestic cattle from Pre-Pottery Neolithic sites on the Middle Euphrates using sexual dimorphism’, pp. 86–95.
15. Hofreiter, M. i sur. (2015) ‘The future of ancient DNA: Technical advances and conceptual shifts’, BioEssays, 37(3), pp. 284–293.
16. Juma, A.R. i sur. (2016) ‘Emerging role of PLAG1 as a regulator of growth and reproduction’, Journal of Endocrinology, 228(2), pp. R45–R56.
17. Karim, L. i sur. (2011) ‘Variants modulating the expression of a chromosome domain encompassing PLAG1 influence bovine stature’, Nature Genetics, 43(5), pp. 405–415.
18. Kim, M. i sur. (2020) ‘Association between Rumen Microbiota and Marbling Score in Korean Native Beef Cattle’, Animals, 10(4), p. 712. 14
19. Larson, G. i Burger, J. (2013) ‘A population genetics view of animal domestication’, Trends in Genetics, 29(4), pp. 197–205.
20. Littlejohn, M. i sur. (2012) ‘Genetic variation in PLAG1 associates with early life body weight and peripubertal weight and growth in Bos taurus’, Animal Genetics, 43(5), pp. 591–594.
21. Liu, S. i sur. (2022) ‘A multi-tissue atlas of regulatory variants in cattle’, Nature Genetics, 54(9), pp. 1438–1447.
22. Llamas, B. i sur. (2017) ‘From the field to the laboratory: Controlling DNA contamination in human ancient DNA research in the high-throughput sequencing era’, STAR: Science & Technology of Archaeological Research, 3(1), 1-14.
23. McTavish, E.J. i sur. (2013) ‘New World cattle show ancestry from multiple independent domestication events’, PNAS, 110(15), pp. E1398–E1406.
24. Meadow, R. (1993). False allegations of abuse and Munchausen syndrome by proxy. Archives of disease in childhood, 68(4), 444-447.
25. Nilsen, H. i sur. (2009) ‘Casein haplotypes and their association with milk production traits in Norwegian Red cattle’, Genetics Selection Evolution, 41(1), pp. 1–12.
26. Olivieri, A. i sur. (2015) ‘Mitogenomes from Egyptian Cattle Breeds: New Clues on the Origin of Haplogroup Q and the Early Spread of Bos taurus from the Near East’, PLOS ONE, 10(10), p.e0141170.
27. Pääbo, S. i sur. (2004) ‘Genetic analyses from ancient DNA’, Annual Review of Genetics, 38, pp. 645–679.
28. Park, S.D.E. i sur. (2015) ‘Genome sequencing of the extinct Eurasian wild aurochs, Bos primigenius, illuminates the phylogeography and evolution of cattle’, Genome Biology, 16(1), pp. 1– 15. Dostupno na: https://doi.org/10.1186/S13059-015-0790-2.
29. Pérez-Pardal, L. i sur. (2010) ‘Y-specific microsatellites reveal an African subfamily in taurine (Bos taurus) cattle’, Animal Genetics, 41(3), pp. 232–241.
30. Pérez-Pardal, L. i sur. (2018) ‘Legacies of domestication, trade and herder mobility shape extant male zebu cattle diversity in South Asia and Africa’, Scientific Reports, 8(1), pp. 1–8.
31. Voz, ML. i sur. (2020) ‘PLAG1, the Main Translocation Target in Pleomorphic Adenoma of the Salivary Glands, is a positive regulator of IGF-II‘ , Cancer Research 60(1), pp. 106-13.
32. Rossi, C. i sur. (2024) ‘The genomic natural history of the aurochs’, Nature, 635(8037), pp. 136–141.
33. Sahana, G. i sur. (2023) ‘Invited review: Good practices in genome-wide association studies to identify candidate sequence variants in dairy cattle’, Journal of Dairy Science, 106(8), pp. 5218–5241.
34. Sanchez, M.P. i sur. (2023) ‘Sequence-based GWAS meta-analyses for beef production traits’, Genetics Selection Evolution, 55(1), pp. 1–19.
35. Sharmaa, A. i sur. (2015) ‘Stories and Challenges of Genome Wide Association Studies in Livestock — A Review’, Asian-Australasian Journal of Animal Sciences, 28(10), p. 1371.
36. Sherratt, A. (1983) ‘The secondary exploitation of animals in the Old World’, World Archaeology, 15(1), pp. 90–104.
37. Troy, C.S. i sur. (2001) ‘Genetic evidence for Near-Eastern origins of European cattle’, Nature, 410(6832), pp. 1088–1091. 15
38. Utsunomiya, Y.T. i sur. (2013) ‘Genome-wide association study for birth weight in Nellore cattle points to previously described orthologous genes affecting human and bovine height’, BMC Genetics, 14(1), pp. 1–12.
39. Utsunomiya, Y.T. i sur. (2014) ‘Genome-Wide Mapping of Loci Explaining Variance in Scrotal Circumference in Nellore Cattle’, PLOS ONE, 9(2), p. e88561.
40. Utsunomiya, Y.T. i sur. (2017) ‘A PLAG1 mutation contributed to stature recovery in modern cattle’, Scientific Reports, 7(1), pp. 1–15.
41. Verdugo, M.P. i sur. (2019) ‘Ancient cattle genomics, origins, and rapid turnover in the Fertile Crescent’, Science, 365(6449), pp. 173–176.
42. Vostry, L. i sur. (2024) ‘Genomic analysis of conservation status, population structure, and admixture in local Czech and Slovak dairy goat breeds’, Journal of Dairy Science, 107(10), pp. 8205–8222.
43. Xia, X. i sur. (2019) ‘Comprehensive analysis of the mitochondrial DNA diversity in Chinese cattle’, Animal Genetics, 50(1), pp. 70–73.
44. Zeuner, F.E. (1963) A history of domesticated animals. London; Hutchinson 1963. 560 pp., Antiquity 1964;38(149): 80-81.
45. Zhang, H. i sur. (2013). Morphological and genetic evidence for early Holocene cattle management in northeastern China. Nature Communications, 4(1), 2755.
