Abstract High-producing Holstein Friesian dairy cattle have a characteristic black and white coat pattern where black frequently comprises a large proportion of the coat. Compared to a light coat color, black absorbs more solar radiation translating into radiative heat gain which is a contributing factor to heat stress in cattle, negatively impacting on their production levels, fertility and welfare. To better adapt dairy cattle to the rapidly changing climatic conditions with predictions for more frequent and prolonged hot temperature patterns, we aimed to lighten their coat color by genome editing. Using gRNA/Cas9-mediated editing, we introduced a three base pair (bp) deletion in the pre-melanosomal protein 17 gene ( PMEL ) proposed as the causative variant responsible for the semi-dominant color dilution phenotype seen in Galloway and Highland cattle. Calves generated from cells homozygous for the edited mutation revealed a strong color dilution effect. Instead of the characteristic black and white coat color patterning of control calves generated from unedited parental cells, the edited calves displayed a novel pattern of grey and white markings and absence of any black areas. This, for the first time, verified the causative nature of the PMEL mutation for diluting the black coat color in cattle. With these edited animals, it is now possible to dissect the effects of the introgressed edit and other interfering allelic variants that might exist in individual cattle and accurately determine the impact of only the three bp change on important health, welfare and production traits. In addition, our study proved targeted editing as a promising approach for the rapid adaptation of livestock to changing climatic conditions.

Background: Bovine milk provides an important source of nutrition in much of the Western world, forming components of many food products. Over many years, artificial selection has substantially improved milk production by cows. However, the genes underlying milk production quantitative trait loci (QTL) remain relatively poorly characterised. Here, we investigate a previously-reported QTL located at the CSF2RB locus, for several milk production phenotypes, to better understand its underlying genetic and molecular causes. Results: Using a population of 29,350 taurine dairy cattle, we conducted association analyses for milk yield and composition traits, and identified highly significant QTL for milk yield, milk fat concentration, and milk protein concentration. Strikingly, protein concentration and milk yield appear to show co-located yet genetically distinct QTL. To attempt to understand the molecular mechanisms that might be mediating these effects, gene expression data were used to investigate eQTL for eleven genes in the broader interval. This analysis highlighted genetic impacts on CSF2RB and NCF4 expression that share similar association signatures to those observed for lactation QTL, strongly implicating one or both of these genes as the cause of these effects. Using the same gene expression dataset representing 357 lactating cows, we also identified 38 novel RNA editing sites in the 3' UTR of CSF2RB transcripts. The extent to which two of these sites were edited also appears to be genetically co-regulated with lactation QTL, highlighting a further layer of regulatory complexity implicating the CSF2RB gene. Conclusions: This chromosome 5 locus presents a diversity of molecular and lactation QTL, likely representing multiple overlapping effects that, at a minimum, highlight the CSF2RB gene as having a causal role in these processes.

Post-transcriptional RNA editing may regulate transcript expression and diversity in cells, with potential impacts on various aspects of physiology and environmental adaptation. A small number of recent genome-wide studies in Drosophila, mouse, and human have shown that RNA editing can be genetically modulated, highlighting loci that quantitatively impact editing of transcripts. The potential gene expression and physiological consequences of these RNA editing quantitative trait loci (edQTL), however, are almost entirely unknown. Here, we present analyses of RNA editing in a large domestic mammal (Bos taurus), where we use whole genome and high depth RNA sequencing to discover, characterise, and conduct genetic mapping studies of novel transcript edits. Using a discovery population of nine deeply-sequenced cows, we identify 2,001 edit sites in the mammary transcriptome, the majority of which are adenosine to inosine edits (97.4%). Most sites are predicted to reside in double-stranded secondary structures (85.7%), and quantification of the rates of editing in an additional 355 cows reveals editing is negatively correlated with gene expression in the majority of cases. Genetic analyses of RNA editing and gene expression highlights 67 cis-regulated edQTL, of which seven appear to co-segregate with expression QTL effects. Trait association analyses in a separate population of 9,988 lactating cows also shows nine of the cis-edQTL coincide with at least one co-segregating lactation QTL. Together, these results enhance our understanding of RNA editing dynamics in mammals, and suggest mechanistic links by which loci may impact phenotype through RNA-editing mediated processes.

Abstract Animal health and welfare are at the forefront of public concern and the agricultural sector is responding by prioritising the selection of welfare-relevant traits in their breeding schemes. In some cases, welfare-enhancing traits such as horn-status (i.e., polled) or diluted coat colour, which could enhance heat tolerance, may not segregate in breeds of primary interest, highlighting gene-editing tools such as the CRISPR-Cas9 technology as an approach to rapidly introduce variation into these populations. A major limitation preventing the acceptance of CRISPR-Cas9 mediated gene-editing, however, is the potential for off-target mutagenesis, which has raised concerns about the safety and ultimate applicability of this technology. Here, we present a clone-based study design that has allowed a detailed investigation of off-target and de novo mutagenesis in a cattle line bearing edits in the PMEL gene for diluted coat-colour. No off-target events were detected from high depth whole genome sequencing performed in precursor cell-lines and resultant calves cloned from those edited and non-edited cell lines. Long molecule sequencing at the edited site and plasmid-specific PCRs did not reveal structural variations and/or plasmid integration events in edited samples. Furthermore, an in-depth analysis of de novo mutations across samples revealed that the mutation frequency and spectra were unaffected by editing status. Cells in culture, however, had a distinct mutation signature where de novo mutations were predominantly C>A mutations, and in cloned calves they were predominantly T>G mutations, deviating from the expected excess of C>T mutations. We conclude that the gene-edited cells and calves in this study did not present a higher mutation load than unedited controls. Cell culture and somatic cell nuclear transfer cloning processes contributed the major source of contrast in mutational profile between samples.

The DGAT1 gene encodes an enzyme responsible for catalysing the terminal reaction in mammary triglyceride synthesis, and underpins a well-known pleiotropic quantitative trait locus (QTL) with a large influence on milk composition phenotypes. Since first described over 15 years ago, a protein-coding variant K232A has been assumed as the causative variant underlying these effects, following in-vitro studies that demonstrated differing levels of triglyceride synthesis between the two protein isoforms. In the current study, we used a large RNAseq dataset to re-examine the underlying mechanisms of this large milk production QTL, and hereby report novel expression-based functions of the chr14 g.1802265AA>GC variant that encodes the DGAT1 K232A substitution. Using expression QTL (eQTL) mapping, we demonstrate a highly-significant mammary eQTL for DGAT1 , where the K232A mutation appears as one of the top associated variants for this effect. By conducting in vitro expression and splicing experiments in bovine mammary cell culture, we further show modulation of splicing efficiency by this mutation, likely through disruption of an exon splice enhancer as a consequence of the allele encoding the 232A variant. Although the relative contributions of the enzymatic and transcription-based mechanisms now attributed to K232A remain unclear, these results suggest that transcriptional impacts contribute to the diversity of lactation effects observed at this locus.

Abstract Deleterious recessive conditions have primarily been studied in a Mendelian disease context. Recently, several large effect, deleterious recessive mutations were discovered via non-additive GWAS of quantitative growth and developmental traits in cattle. This showed quantitative traits can be used as proxies of genetic disorders if they are indicative of whole animal health status and susceptible to underlying genetic conditions. Lactation traits might also reflect genetic disorders in cattle, given the increased energy demands of lactation and the substantial stresses imposed on the animal. Here, we report a screen of over 124,000 cows for recessive effects based on lactation traits. We discovered novel loci associated with five large recessive impacts on milk yield traits represented by missense variants (DOCK8, IL4R, KIAA0556, and SLC25A4) or premature stop variants (ITGAL, LRCH4, and RBM34) as candidate causal mutations. On milk composition traits, we identified several small effect dominance contributions to previously reported additive QTL. In contrasting analyses of milk yield and milk composition phenotypes, we note differing genetic architectures. Milk yield phenotypes presented lower heritabilities and fewer additive QTL, but higher non-additive genetic variance and a higher proportion of loci exhibiting dominance compared to milk composition phenotypes. Large-effect recessive QTL are segregating at surprisingly high frequencies in cattle. We speculate that the differences in genetic architecture between milk yield and milk composition phenotypes derive from underlying dissimilarities in the cellular and molecular representation of these traits. Lactation yields may act as a better proxy than milk composition traits for a wide range of underlying biological disorders affecting animal fitness

Genome sequence variants affecting complex traits (quantitative trait loci, QTL) are enriched in functional regions of the genome, such as those marked by certain histone modifications. These variants are believed to influence gene expression. However, due to the linkage disequilibrium among nearby variants, pinpointing the precise location of QTL is challenging. We aimed to identify allele-specific binding (ASB) QTL (asbQTL) that cause variation in the level of histone modification, as measured by the height of peaks assayed by ChIP-seq (chromatin immunoprecipitation sequencing). We identified DNA sequences that predict the difference between alleles in ChIP-seq peak height in H3K4me3 and H3K27ac histone modifications in the mammary glands of cows.