Abstract Characterization of genetic regulatory variants acting on the transcriptome of livestock is essential for interpreting the molecular mechanisms underlying traits of economic value and for increasing the rate of genetic gain through artificial selection. Here, we build a cattle Genotype-Tissue Expression atlas (cattle GTEx, http://cgtex.roslin.ed.ac.uk/ ) as part of the pilot phase of Farm animal GTEx (FarmGTEx) project for the research community based on publicly available 11,642 RNA-Seq datasets. We describe the landscape of the transcriptome across over 100 tissues and report hundreds of thousands of genetic associations with gene expression and alternative splicing for 24 major tissues. We evaluate the tissue-sharing patterns of these genetic regulatory effects, and functionally annotate them using multi-omics data. Finally, we link gene expression in different tissues to 43 economically important traits using both transcriptome-wide association study (TWAS) and colocalization analyses to decipher the molecular regulatory mechanisms underpinning such agronomic traits in cattle.

Abstract To complete the genome-to-phenome map, transcriptome-wide association studies (TWAS) are performed to correlate genetically predicted gene expression with observed phenotypic measurements. However, the relatively small training population assayed with gene expression could limit the accuracy of TWAS. We propose Genetic Score Omics Regression (GSOR) correlating observed gene expression with genetically predicted phenotype, i.e., genetic score. The score, calculated using variants near genes with assayed expression, provides a powerful association test between cis- effects on gene expression and the trait. In simulated and real data, GSOR outperforms TWAS in detecting causal/informative genes. Applying GSOR to transcriptomes of 16 tissue (N∼5000) and 37 traits in ∼120,000 cattle, multi-trait meta-analyses of omics-associations (MTAO) found that, on average, each significant gene expression and splicing mediates cis -genetic effects on 8∼10 traits. Supported by Mendelian Randomisation, MTAO prioritised genes/splicing show increased evolutionary constraints. Many newly discovered genes/splicing regions underlie previously thought single-gene loci to influence multiple traits.

ABSTRACT Gene atlases for livestock are steadily improving thanks to new genome assemblies and new expression data improving the gene annotation. However, gene content varies across databases due to differences in RNA sequencing data and bioinformatics pipelines, especially for long non-coding RNAs (lncRNAs) which have higher tissue and developmental specificity and are harder to consistently identify compared to protein coding genes (PCGs). As done previously in 2020 for chicken assemblies galgal5 and GRCg6a, we provide a new gene atlas, lncRNA-enriched, for the latest GRCg7b chicken assembly, integrating “NCBI RefSeq”, “EMBL-EBI Ensembl/GENCODE” reference annotations and other resources such as FAANG and NONCODE. As a result, the number of PCGs increases from 18,022 (RefSeq) and 17,007 (Ensembl) to 24,102, and that of lncRNAs from 5,789 (RefSeq) and 11,944 (Ensembl) to 44,428. Using 1,400 public RNA-seq transcriptome representing 47 tissues, we provided expression evidence for 35,257 (79%) lncRNAs and 22,468 (93%) PCGs, supporting the relevance of this atlas. Further characterization including tissue-specificity, sex-differential expression and gene configurations are provided. We also identifiend conserved miRNA-hosting genes with human counterparts, suggesting common function. The annotated atlas is available at www.fragencode.org/lnchickenatlas.html .

As an invaluable Chinese sheep germplasm resource, Hu sheep are renowned for their high fertility and beautiful wavy lambskins. Their distinctive characteristics have evolved over time through a combination of artificial and natural selection. Identifying selection signatures in Hu sheep can provide a straightforward insight into the mechanism of selection and further uncover the candidate genes associated with breed-specific traits subject to selection. Here, we conducted whole-genome resequencing on 206 Hu sheep individuals, each with an approximate 6-fold depth of coverage. And then we employed three complementary approaches, including composite likelihood ratio, integrated haplotype homozygosity score and the detection of runs of homozygosity, to detect selection signatures. In total, 10 candidate genomic regions displaying selection signatures were simultaneously identified by multiple methods, spanning 88.54 Mb. After annotating, these genomic regions harbored collectively 92 unique genes. Interestingly, 32 candidate genes associated with reproduction were distributed in nine genomic regions detected. Out of them, two stood out as star candidates:

Abstract Transposable elements (TEs) are an extensive source of genetic polymorphisms and play an indispensable role in chromatin architecture, transcriptional regulatory networks, and genomic evolution. The pig is an important source of animal protein and serves as a biomedical model for humans, yet the functional role of TEs in pigs and their contributions to complex traits are largely unknown. Here, we built a comprehensive catalog of TEs (n = 3,087,929) in pigs by a newly developed pipeline. Through integrating multi-omics data from 21 tissues, we found that SINEs with different ages were significantly associated with genomic regions with distinct functions across tissues. The majority of young SINEs were predominantly silenced by histone modifications, DNA methylation, and decreased accessibility. However, the expression of transcripts that were derived from the remaining active young SINEs exhibited strong tissue specificity through cross-examining 3,570 RNA-seq from 79 tissues and cell types. Furthermore, we detected 211,067 polymorphic SINEs (polySINEs) in 374 individuals genome-wide and found that they clearly recapitulated known patterns of population admixture in pigs. Out of them, 340 population-specific polySINEs were associated with local adaptation. Mapping these polySINEs to genome-wide associations of 97 complex traits in pigs, we found 54 candidate genes (e.g., ANK2 and VRTN ) that might be mediated by TEs. Our findings highlight the important roles of young SINEs in functional genomics and provide a supplement for genotype-to-phenotype associations and modern breeding in pigs.

Abstract Selection signatures that contribute to phenotypic diversity, especially morphogenesis in pigs, remain to be further elucidated. To reveal the regulatory role of genetic variations in phenotypic differences between Eastern and Western pig breeds, we performed a systematic analysis based on seven high-quality de novo assembled genomes, 1,081 resequencing data representing 78 domestic breeds, 162 methylomes, and 162 transcriptomes of skeletal muscle from Tongcheng (Eastern) and Landrace (Western) pigs at 27 developmental stages. Selective sweep uncovers different genetic architectures behind divergent selection directions for the Eastern and Western breeds. Notably, two loci showed functional alterations by almost fixed missense mutations. By integrating time-course transcriptome and methylome, we revealed differences in developmental timing during myogenesis between Eastern and Western breeds. Genetic variants under artificial selection have critical regulatory effects on progression patterns of heterochronic genes like GHSR and BDH1 , by the interaction of local DNA methylation status, particularly during embryonic development. Altogether, our work not only provides valuable resources for understanding pig complex traits, but also contributes to human biomedical research.

Understanding the molecular and cellular mechanisms that underlie complex traits in pigs is crucial for enhancing their genetic improvement program and unleashing their substantial potentials in human biomedicine research. Here, we conducted a meta-GWAS analysis for 232 complex traits with 28.3 million imputed whole-genome sequence variants in 70,328 individuals from 14 pig breeds. We identified a total of 6,878 genomic regions associated with 139 complex traits. By integrating with the Pig Genotype-Tissue Expression (PigGTEx) resource, we systemically explored the biological context and regulatory circuits through which these trait-associated variants act and finally prioritized 16,664 variant-gene-tissue-trait circuits. For instance, rs344053754 regulates the expression of UGT2B31 in the liver by affecting the activity of regulatory elements and ultimately affects litter weight at weaning. Furthermore, we investigated the conservation of genetic and regulatory mechanisms underlying 136 human traits and 232 pig traits. Overall, our multi-breed meta-GWAS in pigs provides invaluable resources and novel insights for understanding the regulatory and evolutionary mechanisms of complex traits in pigs and humans.

This study investigates the impact of maternal gestation diets with varying fiber contents on gene expression and chromatin accessibility in fetuses and piglets fed a low fiber diet post weaning. High-fiber maternal diets, enriched with sugar beet pulp or pea internal fiber, were compared to a low-fiber maternal diet to evaluate their effects on liver and muscle tissues. The findings demonstrate that maternal high-fiber diets significantly alter the chromatin accessibility, predicted transcription factor activity and transcriptional landscape in both fetuses and piglets. A gene set enrichment analysis revealed over-expression of gene ontology terms related to metabolic processes and under-expression of those linked to immune responses in piglets from sows given the high-fiber diets during gestation. This suggests better metabolic health and immune tolerance of the fetus and offspring, in line with the documented epigenetic effects of short chain fatty acids on immune and metabolic pathways. A deconvolution analysis of the bulk RNA-seq data was performed using cell-type specific markers from a single cell transcriptome atlas of adult pigs. These results confirmed that the transcriptomic and chromatin accessibility data do not reflect different cell type compositions between maternal diet groups but rather phenotypic changes triggered by the critical role of maternal nutrition in shaping the epigenetic and transcriptional environment of fetus and offspring. Our findings have implications for improving animal health and productivity as well as broader implications for human health, suggesting that optimizing maternal diet with high-fiber content could enhance metabolic health and immune function in the formative years after birth and potentially to adulthood.

Abstract Despite the clear potential of livestock models of human functional variants to provide important insights into the biological mechanisms driving human diseases and traits, their use to date has been limited. Generating such models via genome editing is costly and time consuming, and it is unclear which variants will have conserved effects across species. In this study we address these issues by studying naturally occurring livestock models of human functional variants. We show that orthologues of over 1.6 million human variants are already segregating in domesticated mammalian species, including several hundred previously directly linked to human traits and diseases. Models of variants linked to particular phenotypes, including metabolomic disorders and height, have been preferentially maintained across species, meaning studying the genetic basis of these phenotypes is particularly tractable in livestock. Using machine learning we demonstrate it is possible to identify human variants that are more likely to have an existing livestock orthologue, and, importantly, we show that the effects of functional variants are often conserved in livestock, acting on orthologous genes with the same direction of effect. Consequently, this work demonstrates the substantial potential of naturally occurring livestock carriers of orthologues of human functional variants to disentangle their functional impacts.

Abstract The systematic characterization of cellular heterogeneity among tissues and cell-type-specific regulation underlying complex phenotypes remains elusive in pigs. Within the Pig Genotype-Tissue Expression (PigGTEx) project, we present a single-cell transcriptome atlas of adult pigs encompassing 229,268 high-quality nuclei from 19 tissues, annotated to 67 major cell types. Besides cellular heterogeneity within and across tissues, we further characterize prominent tissue-specific features and functions of muscle, epithelial, and immune cells. Through deconvoluting 3,921 bulk RNA-seq samples from 17 matching tissues, we dissect thousands of genetic variants with cell-type interaction effects on gene expression (ieQTL). By colocalizing these ieQTL with variants associated with 268 complex traits, we provide new insights into the cellular mechanisms behind these traits. Moreover, we highlight that orthologous genes with cell-type-specific regulation in pigs exhibit significant heritability enrichment for some human complex phenotypes. Altogether, our work provides a valuable resource and highlights novel insights in cellular regulation of complex traits for accelerating pig precision breeding and human biomedical research.