Bases génétiques de la phosphorylation des caséines bovines αs1 et αs2

Abstract

Phosphorylation of caseins (CN) is a crucial post-translational modification allowing caseins to aggregate as micelles. The formation and stability of casein micelles are important for transporting abundant minerals to the neonate and manufacturing of dairy products. Therefore, it is of great interest to explore variation in degrees of phosphorylation of caseins and study to what extent genetic and other factors contribute to this variation. This thesis aimed to investigate the genetic background of bovine milk protein composition with a focus on phosphorylation of αs1- and αs2-CN. Thus, two studies were conducted to quantify phosphorylation levels of αs1- and αs2-CN: one in French Montbéliarde (FM) using liquid chromatography coupled with electrospray ionization mass spectrometry and the other in Dutch Holstein Friesian (DHF) using capillary zone electrophoresis. In FM, in addition to the known isoforms αs1-CN-8P and-9P and αs2-CN-10P to -13P, three new phosphorylation isoforms were detected, namely αs2-CN-9P, αs2-CN-14P, and αs2-CN-15P. Relative concentrations of the phosphorylation isoforms varied considerably among cows. Phenotypic correlations showed that isoforms phosphorylated at higher degrees (αs1-CN-9P and αs2-CN-12P to -14P) correlated negatively with isoforms phosphorylated at lower degrees (αs1-CN-8P, αs2-CN-10P, and -11P). Furthermore, it was shown that αs1- and αs2-CN phosphorylation profiles changed across parity and lactation, and exploitable genetic variation for the phosphorylation degrees of αs1- and αs2-CN (defined as the proportion of higher-degree isoforms in αs1- and αs2-CN, respectively) exists in FM. In DHF, three αs2-CN isoforms, namely αs2-CN-10P to -12P, and the phosphorylation degrees of αs1- and αs2-CN were quantified. High intra-herd heritabilities were estimated for individual αs2-CN phosphorylation isoforms and the phosphorylation degrees of αs1- and αs2-CN (ranging from 0.54 to 0.89). This suggests that genetic factors contribute substantially to observed differences in αs1- and αs2-CN phosphorylation profiles. The correlation between the phosphorylation degrees of αs1- and αs2-CN was 0.94. Additionally, a total of 10 regions, distributed across Bos taurus autosomes (BTA) 1, 2, 6, 9, 11, 14, 15, 18, 24 and 28, were detected to be associated with individual αs1- and αs2-CN phosphorylation isoforms and their phosphorylation degrees in DHF. Regions on BTA1, 6, 11 and 14 were associated with multiple traits studied. Two quantitative trait loci (QTL) regions were detected on BTA1: one affecting αs2-CN production, and the other affecting αs1-CN PD and αs2-CN PD. The QTL region on BTA6 affected only individual αs2-CN isoforms. The QTL region on BTA11 and 14 affected relative concentrations of αs2-CN-10P and αs2-CN-11P, αs1-CN PD and αs2-CN PD. Results suggested that effects of identified genomic regions on αs1-CN PD and αs2-CN PD are probably due to changes in milk synthesis and phosphorus secretion in milk. Finally, differences among studies due to factors such as analytical methods, trait definitions, and breed on genetic parameters and correlations are discussed using the two dataset from this thesis. It is concluded that differences in heritability estimates for αs1-CN-8P and -9P, αs2-CN-10P, -11P and -12P, and αs1-CN PD between FM and DHF were mainly due to genetic differences between breeds. As for αs2-CN PD, it was defined differently in FM and DHF due to analytical methods used. It is shown that both trait definitions successfully quantified the proportion of isoforms with higher degrees of phosphorylation because of similar estimated correlations using both definitions on the FM dataset. Additionally, it is hypothesized that a two-casein-kinase system is involved in the phosphorylation of αs1- and αs2-CN based on results in this thesis.La phosphorylation des caséines (CN) est une modification post-traductionnelle qui permet l’aggrégation des caséines sous formes de micelles. La stabilité de ces structures est essentielle pour transporter les minéraux au nouveau-né et fabriquer des produits laitiers. Il est par conséquent fondamental d'explorer la variation du degré de phosphorylation (PD) des CN, et d'étudier dans quelle mesure les facteurs génétiques contribuent à cette variation. Cette thèse visait à étudier le contexte génétique de la composition des protéines du lait de vache, en mettant l'accent sur la phosphorylation des CN αs1 et αs2. Deux études ont été menées pour analyser leur niveau de phosphorylation : la première en race Montbéliarde française (FM), en utilisant la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse à ionisation par électro-nébulisation et l'autre en race Holstein Friesian néerlandaise (DHF), en utilisant l’électrophorèse capillaire de zone. En race FM, en plus des isoformes connues : αs1-CN-8P et -9P, de αs2-CN-10P à -13P, trois nouvelles isoformes ont été détectées (αs2-CN-9P, αs2-CN-14P et αs2-CN-15P). Les concentrations relatives de ces isoformes variaient considérablement entre vaches. Les corrélations phénotypiques ont montré que les isoformes phosphorylées aux degrés les plus élevés (αs1-CN-9P, de αs2-CN-12P à -14P) étaient corrélées négativement avec les isoformes phosphorylées à des degrés inférieurs (αs1-CN-8P, αs2-CN-10P et -11P). En outre, les profils de phosphorylation des CN αs1 et αs2 changent avec la parité et le stade de lactation, et il est possible d’exploiter en FM la variation génétique du PD de ces caséines (définie comme la proportion d'isoformes ayant les taux de phosphorylation les plus élevés). En DHF, nous avons quantifié 3 isoformes d’αs2-CN, à savoir αs2-CN-10P, -11P, et -12P et les PD des CN αs1 et αs2. Des héritabilités intra-troupeau élevées ont été estimées pour les isoformes de phosphorylation d'αs2-CN et les PD des CN αs1 et αs2 (comprise entre 0,54 et 0,89). Ceci suggère que des facteurs génétiques contribuent substantiellement aux différences observées dans les profils de phosphorylation de ces CN. La correlation entre les degrés de phosphorylation de αs1-CN et d’αs2-CN était de 0,94. Nous avons montré que 10 régions, réparties sur les autosomes BTA1, 2, 6, 9, 11, 14, 15, 18, 24 et 28, sont associées aux isoformes de phosphorylation des CN αs1 et αs2 et leurs PD en DHF. Les régions sur BTA1, 6, 11 et 14 étaient associées à plusieurs caractères étudiés. Deux régions quantitative trait loci (QTL) ont été détectées sur BTA1 : l'une affectant la production d'αs2-CN et l'autre le PD des deux CN. La région QTL localisée sur BTA6 affectait uniquement les isoformes d'αs2-CN. Les régions QTL situées sur BTA11 et BTA14 influencent les concentrations relatives en αs2-CN-10P et -11P, et les PD des CN αs1 et αs2. Ces résultats suggèrent que les effets des régions génomiques identifiées impactant les PD sont probablement dus à des modifications de biosynthèse des constituants du lait et à la sécrétion de phosphore dans le lait. Enfin, les différences observées sur les paramètres génétiques estimés et les corrélations, sont discutées sur la base de l'ensemble des données issues des deux études décrites dans cette thèse. En conclusion, les différences observées sur les estimations d'héritabilité entre FM et DHF semblent principalement dues à des composantes génétiques. Quant au PD de l'αs2-CN, il a été défini différemment en FM et en DHF, en raison des méthodes analytiques. Il a été possible de quantifier avec succès la proportion d'isoformes présentant des degrés de phosphorylation élevés, en raison de la similitude dans les corrélations estimées avec les deux définitions aux données de FM. Finalement, sur la base des résultats présentés dans cette thèse, nous avons émis l'hypothèse qu'un système comportant deux caséines-kinases puisse être impliqué dans la phosphorylation des CN αs1 et αs2