Identificação de sequências motifs e elementos regulatórios em ATAC-Seq peaks associados à expressão gênica e à deposição de gordura intramuscular em bovinos da raça Nelore

Gordura intramuscular (GIM) representa o conteúdo de gordura acumulada entre as fibras ou dentro das células musculares e vem sendo associada à maciez da carne. Compreender os mecanismos funcionais que regulam GIM tornou-se uma questão importante tanto para a indústria de carne quanto para a saúde humana. A regulação do genoma envolve todas as peculiaridades da expressão gênica, incluindo as modificações bioquímicas do DNA, o arranjo físico dos cromossomos e a ativação do mecanismo de transcrição. Neste estudo, a técnica Assay for Transposase-Accessible Chromatin (ATAC-Seq) foi realizada para caracterizar as regiões de acessibilidade da cromatina do músculo Longissimus dorsi de espécies bovinas (Bos indicus). Em um segundo momento, a análise de associação foi realizada entre essas regiões e os motivos candidatos e elementos reguladores associados à deposição e composição de GIM. O método ATAC-seq identificou 18.942 regiões acessíveis à cromatina e regiões reguladoras candidatas. Analisando os ATAC-Seq peaks nas regiões reguladoras de 10.117 genes co-expressos, observamos 506 motivos descritos em bancos de dados e associados à deposição intramuscular de gordura. Nosso estudo forneceu novas ideias sobre o processo de regulação do genoma que podem ajudar a entender melhor os mecanismos bioquímicos subjacentes a diferentes características fenotípicas relevantes para o mercado, para a sociedade e para a ciência.

Intramuscular fat (IMF) represents the amount of fat accumulated between muscle fibers or within muscle cells, which has been associated with beef tenderness. Understanding the functional mechanisms that regulate IMF content became is an important issue to meat industry and human health. Genome regulation involves all facets of gene expression, including the biochemical modifications of DNA, the physical arrangement of chromosomes and the transcription machinery activation. In this study, the Assay for Transposase-Accessible Chromatin (ATAC-seq) was performed to characterize the chromatin accessibility regions of Longissimus dorsi muscle from bovine (Bos indicus) species. In a second moment, the association analysis was performed among these regions and candidate motifs and regulatory elements associated with IMF deposition and composition. ATAC-seq method identified 18,942 chromatin accessible regions and candidate regulatory regions. By analyzing the ATAC-Seq peaks in the regulatory regions of 10,117 co-expressed genes, we observed 506 motifs described in databases and associated with intramuscular fat deposition. Our study provided novel insights into genome regulation process that can help to better understand the functional mechanisms underlying different phenotypic traits relevant to the meat industry, for society and for science.

Identificação e caracterização de regiôes de eucromatina associadas à regulação da expressão gênica e à gordura intramuscular em bovinos da raça Nelore

Em eucariotos, o DNA é organizado juntamente com histonas em um complexo nucleoproteico conhecido como cromatina, cuja unidade fundamental corresponde aos nucleossomos. A cromatina apresenta-se de duas maneiras: eucromatina, região estruturalmente menos condensada e, portanto, mais facilmente transcrita, e heterocromatina, região muito condensada e transcricionalmente silenciosa. Na forma de eucromatina, o acesso dos fatores de transcrição a regiões de DNA livres de nucleossomos é facilitado, enquanto que na forma de heterocromatina os fatores de transcrição não conseguem acessar o DNA para ativar ou reprimir a expressão gênica inferindo, assim, que o grau de compactação da cromatina interfere na regulação da expressão gênica e que o nucleossomo atua como silenciador gênico. Neste contexto, os objetivos foram identificar, mapear e caracterizar regiões em eucromatina na musculatura esquelética de bovinos da raça Nelore. As análises foram realizadas em relação ao músculo Longissimus dorsi pela técnica Assay for Transposase-Accessible Chromatin (ATAC-Seq), capaz de isolar regiões livres de nucleossomos a partir do mecanismo enzimático de transposição. A fim de otimizar o protocolo dessa metodologia para tecido muscular, foram testadas concentrações de 50 mil, 75 mil e 100 mil núcleos tratados com transposase. Destes, foram encontrados 6.811, 11.121 e 11.473 picos de eucromatina, respectivamente, e 6.212 regiões de cromatina aberta foram coincidentes nas três amostras. A associação entre regiões eucromáticas, expressão gênica e gordura intrasmuscular foi confirmada a partir da análise de sobreposição com transcriptional start sites (TSS), genes expressos em músculo esquelético, genes diferencialmente expressos (GDE) para gordura intramuscular e regiões de expression quantitative trait loci (eQTL) de tecido muscular reforçando, assim, o potencial regulatório das regiões de eucromatina.

In eukaryotes, DNA is organized along with histones in nucleoproteins complexes known as chromatin, which has nucleosomes as their fundamental unit. Chromatin exists in two forms: euchromatin, corresponding to a lightly condensed structure and an easily transcribed region, and heterochromatin, a highly condensed and transcriptionally silent region. In euchromatin form, transcription factors have free access to nucleosome-depleted DNA regions, while in heterochromatin the transcription factors can not access the DNA for activate or repress genic expression, which suggests that the chromatin compaction degree interferes with regulation of gene expression and that nucleosomes act as gene silencer. In this context, the aims of the present project were to identify, map and characterize euchromatin regions in the skeletal musculature of Nellore cattle. Analyzes were performed considering the muscle Longissimus dorsi using Assay for Transposase-Accessible Chromatin technique (ATAC-Seq), which isolates nucleosome-depleted regions throught transposition enzymatic mechanism. Differente transposase-treated nuclei concentrations were tested: 50 thousand, 75 thousand and 100 thousand. From these, 6.811, 11.121, and 11.473 euchromatin peaks were found, respectively, and 6.212 open chromatin regions were coincident among them. The association between euchromatic regions, gene expression and intrasmuscular fat was confirmed from the overlap analysis with transcriptional start sites (TSS), genes expressed in skeletal muscle, differentially expressed genes (GDE) for intramuscular fat and regions of expression quantitative trait loci (eQTL) of muscle tissue, reinforcing the regulatory potential of the euchromatin regions.