Identification of co-expression gene networks and regulatory mechanisms related to mineral composition and meat quality in bovine

Meat quality and mineral composition are complex traits genetically regulated. Growing evidence suggests that minerals play a central role in regulatory and physiological functions related to meat tenderness and fat deposition in cattle. Furthermore, miRNAs and genes have been identified as potential regulators of these traits. However, there is a lack of knowledge regarding the interplay among miRNA-gene expression-mineral metabolism in cattle. Thus, to explore regulatory pathways, candidate genes and miRNAs, and their relationships to muscle and mineral metabolism in Nelore steers, we integrated gene and miRNA expression data, eQTLs, mineral content, and meat quality traits based on coexpression networks. To this end, the muscle genome-wide expression profiles of mRNAs (n = 200) and miRNAs (n = 50), obtained by RNA-Seq, were used separately to construct co-expression networks using the WGCNA (Weighted gene co-expression network analysis) R package. Phenotypic data of macro (Ca, K, Mg, Na, P, S) and micro minerals (Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Se, Zn), as well as meat quality (intramuscular fat, meat pH, and tenderness) were also integrated to identify gene/miRNAs modules associated to these traits. By clustering 11,996 genes and 343 miRNAs, we identified, based on a linear model, 15 and nine modules, respectively, associated with at least one trait (p < 0.05). We identified 82 potential candidate genes based on the module-phenotype association analysis. From the functional analysis, we identified as over-represented biological pathways related to energy and protein metabolism, such as AMPK, mTOR, insulin, and thyroid hormone. We also integrated the gene and miRNA modules, and pointed out 1,815 unique genes targets of 41 miRNAs. Among the minerals, Ca and Fe were strongly regulated, mainly by the miR-29 family. In addition to the pathways previously mentioned, the target genes functional over-representation analysis highlighted signaling pathways such as hypoxia-inducible factor 1, ferroptosis, and p53. Key genes involved in Fe homeostasis, such as transferrin receptor (TFRC), iron responsive element binding protein 2 (IREB2), and transferrin (TF) were identified, as well as those underlying lipid metabolism. Overall, there is a complex relationship between meat quality and mineral metabolism, as well as the fundamental role of miRNAs regulating target genes. Further studies are needed to investigate the effect of different levels of mineral supplementation in gene expression and meat quality traits.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)De caráter complexo, as características de qualidade de carne e composição mineral são reguladas geneticamente. Evidências crescentes sugerem que os minerais têm papel central em funções regulatórias e fisiológicas relacionadas à maciez e deposição de gordura em bovinos. Além disso, miRNAs e genes têm sido apontados como potenciais reguladores desses fenótipos. No entanto, ainda pouco se sabe a respeito dessa interação e seu efeito sobre a qualidade da carne em bovinos. Desse modo, a fim de explorar vias regulatórias, genes e miRNAs candidatos e suas relações com o metabolismo muscular e mineral em novilhos Nelore, nós integramos dados de expressão de genes e miRNAs, eQTLs, conteúdo de minerais e características de qualidade de carne baseados em redes de coexpressão. Para tanto, os perfis de expressão global de mRNAs (n = 200) e miRNAs (n = 50), obtidos por meio de RNA-Seq, foram utilizados separadamente para construir redes de coexpressão utilizando o pacote do R WGCNA (Weighted gene co-expression network analysis). Os dados fenotípicos de macro (Ca, K, Mg, Na, P, S) e micro minerais (Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Se, Zn), assim como de qualidade de carne (gordura intramuscular, maciez, e pH da carne) foram também integrados a fim de identificar módulos de genes/miRNAs associados a estas características. Mediante a clusterização de 11.996 genes e 343 miRNAs, nós identificamos, com base em um modelo linear, 15 módulos de genes e nove de miRNAs associados a pelo menos um dos fenótipos (p < 0,05). Nós identificamos 82 genes candidatos potenciais reguladores dos módulos associados aos fenótipos avaliados. A partir da análise funcional, nós identificamos vias biológicas enriquecidas relacionadas ao metabolismo energético e protéico, tais como AMPK, mTOR, insulina e hormônio da tireoide. Nós também integramos os módulos gênicos com os de miRNAs e apontamos 1.815 genes únicos, alvos de 41 miRNAs. Ca e Fe mostraram-se fortemente regulados, principalmente pelos miRNAs da família miR-29. Além das vias previamente apontadas, o enriquecimento funcional dos genes alvo também indicou a participação de vias como o fator 1 induzido por hipóxia, ferroptose e p53. Genes chave envolvidos na homeostase do Fe, tais como receptor da transferrina (TFRC), proteina de ligação do elemento responsivo ao ferro (IREB2) e transferrina (TF) foram identificados, bem como envolvidos com metabolismo de lipídeos. De modo geral, existe uma intricada relação entre qualidade de carne e metabolismo mineral, bem como destaca-se o papel fundamental dos miRNAs regulando os genes alvo. Estudos adicionais são necessários para investigar o efeito de diferentes níveis de suplementação mineral na expressão gênica e na qualidade de carne.FAPESP: 2017/20761-7FAPESP: 2015/09158-1CAPES: Código de Financiamento 00