Genomics of bovine milk fat composition

Abstract

Bovine milk is a highly regarded food source. Still, some milk fatty acids may have unfavourable health effects and can influence manufacturing properties of dairy products. Individual milk fatty acids show moderate heritabilities, and better knowledge of the underlying genes may be used to speed up the genetic progress of the traits and provide dairy products of higher quality and nutritional value. In this thesis, mutations underpinning variation in bovine milk fat composition in Norwegian Red cattle was explored, with emphasis on fatty acids produces de novo in the mammary gland, and the two dominant acids in bovine milk, palmitic (C16:0) and oleic acid (C18:1cis9). Paper I established the calibration equations to predict the fatty acid profiles from Fourier- transform infrared spectroscopy (FTIR) data used to estimate variance components for individual and groups of fatty acids. Most major fatty acids were predicted rather accurately. Short and medium length saturated acids were, in general, more heritable than longer and unsaturated acids. A genome-wide association analysis performed on both individual acids and groups of acids revealed a region on chromosome 13 with strong influence on levels of the even chain fatty acids C4:0 to C14:0. The association was first thought to be related to the gene acyl-CoA synthetase 2 (ACSS2), but subsequent fine-mapping highlighted another close- by gene; nuclear receptor coactivator 6 (NCOA6). Paper II aimed to further explore the genetic basis of the de novo synthesised acids, extending the analysis with a larger data set, imputed sequence variants and mammary gene expression data. Progestagen Associated Endometrial Protein (PAEP) on Bos taurus autosome (BTA)11 was strongly associated with the content of the shortest acid C4:0, acetoacetyl-CoA synthetase (AACS) on BTA17 was associated with the content of C4:0 and C6:0. NCOA6 on BTA13 was associated with acids of intermediate chain lengths (especially C8:0), whereas fatty acid synthase (FASN) was mainly associated with the longest acid, C14:0. All suggested positional candidate genes were expressed in the bovine udder during lactation. Paper III focused on C16:0 and C18:1cis-9, possibly having opposing effects on human cardiovascular health and relevance for dairy manufacturing properties. A set of variants within and close to PAEP on BTA11 shown to affect the ratio between the two acids were identified. The variants were further shown associated with PAEP gene expression and levels of the translated protein β-lactoglobulin. Breeders may use the Paper III findings to promote milk with a healthier fatty acid profile and positive effect on cheese-making properties.

Kumelk er regnet som en god human ernæringskilde. Samtidig kan nivået av enkelte fettsyrer i melk ha uheldige helsekonsekvenser, i tillegg til å kunne påvirke meieriprodukters produksjonsegenskaper. Studier har vist at konsentrasjonen av melkefettsyrer er arvbar, og bedre kunnskap om de underliggende gener og varianter vil kunne utnyttes i avl for å kunne oppnå genetisk fremgang for denne egenskapen. I denne avhandlingen ble mutasjoner med påvirkning på fettsyresammensetningen i melk undersøkt, med fokus på syrer syntetisert de novo i jur, og de to vanligste fettsyrene i melk; palmitinsyre (C16:0) og oljesyre (C18:1cis9). Artikkel I etablerte kalibreringslikningene nødvendig for å predikere fettsyreprofiler og beregne fettsyrenes arvbarhet ved bruk av FTIR-spektra. De fleste frekvente melkefettsyrer ble predikert med tilstrekkelig nøyaktighet. Mettede fettsyrer med kort og medium kjedelengde hadde generelt høyere arvbarhet en lengre og umettede syrer. En assosiasjonsstudie, utført med både fettsyregrupper og individuelle fettsyrer, pekte mot en region på kromosom 13 med sterk effekt på nivået av de likekjedede fettsyrene C4:0 til C14:0. Genet acyl-CoA synthetase 2 (ACSS2) ble først pekt ut som det beste kandidatgenet, men videre finkartlegging pekte mot det nærliggende genet nuclear receptor coactivator 6 (NCOA6). I artikkel II ble den genetiske bakgrunnen for de novo-syntetiserte fettsyrer videre studert. Analysen identifiserte sterke assosiasjoner mellom genene Progestagen Associated Endometrial Protein (PAEP) og acetoacetyl-CoA synthetase (AACS) og innhold av C4:0- C6:0, NCOA6 og syrer med mellomlang kjedelengde (C6:0-C12:0) og fatty acid synthase (FASN) ble funnet sterkt assosiert til innhold av C14:0. Alle foreslåtte kandidatgener ble funnet uttrykt i jur. Artikkel III fokuserte på C16:0 og C18:1cis9, de to mest frekvente fettsyrene i melk, som har betydning for både human helse og melkeproduksjonsegenskaper. Det ble identifiserte et sett varianter i og nær genet PAEP på kromosom 11, med motsatt effekt på palmitin og oljesyre. De samme variantene ble også assosiert til redusert ekspresjon av PAEP og redusert nivå av det translaterte proteinet β-lactoglobulin. Funnene fra artikkel III kan utnyttes til å avle frem melkekyr med sunnere melkefettsyreprofil og positive effekter på melkens ysteegenskaper.