Markery genetyczne w hodowli zwierząt dr Chandra S. Pareek Katedra Genetyki Zwierząt, Wydział Bioinżynierii Zwierząt, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski, Wykład habilitacyjny Olsztyn, 8 grudnia 2006

Co nazywamy markerem genetycznym? To cechy jakościowe organizmu, które podlegają dziedziczeniu według praw Mendla i które można identyfikować metodami analitycznymi.

Ewolucja markerów genetycznych a. Markery fenotypowe b. Grupy krwi c. Polimorfizm markerów biochemicznych d. RFLP ( Polimorfizm Długości Fragmentów Restrykcyjnych ) a. Markery fenotypowe b. Grupy krwi c. Polimorfizm markerów biochemicznych d. RFLP ( Polimorfizm Długości Fragmentów Restrykcyjnych ) e. VNTR (Markery minisatelitarne) f. STR (Markery mikrosatelitarne) g. SNPs ( Polimorfizm Pojedynczych Nukleotydów ) e. VNTR (Markery minisatelitarne) f. STR (Markery mikrosatelitarne) g. SNPs ( Polimorfizm Pojedynczych Nukleotydów )

2.1 Markery QTL 2.2 Markery QTL sprzężone z cechami użytkowymi Część-II: Rodzaj II markerów genetycznych Częś ć -I: Rodzaj I markerów genetycznych 1.1 Geny candidujące 1.2 Geny candidujące związane z cechami Użytkowości zwierząt 1.3 Użytek genów candidujących w praktyce hodowli zwierząt Clasyfikacja markerów genetycznych: Integracja rodajów I i II markerów genytycznych w Genomice zwierząt

Geny o znanej biologicznej funkcji, uczestniczące w przebiegu głównych procesów biochemicznych i fizjologicznych, potencjalnie związane z określonymi cechami zwierząt. Przykłady: receptor hormonu wzrostu (bydło mleczne), Insulinopodobny czynnik wzrostu (świnie) Co to jest gen kandydujący ?

Cechy użytkowe (Wybrane gatunki zwierząt gospodarskich) Cechy produkcyjneCechy produkcyjne Cechy zdrowotneCechy zdrowotne WzrostWzrost Płodność i reprodukcjaPłodność i reprodukcja BehawiorBehawior Cechy pokrojoweCechy pokrojowe

Cechy użytkowości mlecznej Wydajność mleczna Wydajność tłuszczu Wydajność białka Zawartość tłuszczu Zawartość białka Cechy zdrowotne Wybrane cechy użytkowe u bydła Cechy użytkowości mięsnej LKS Kliniczny stan mastitis Odporność na choroby Odporność na pasożyty Średnia masa ciała Masa poubojowa Masa ciała przy urodzeniu Masa ciała przy odsadzeniu Masa roczna Średni przyrost dzienny Średni przyrost dzienny Stosunek tłuszczu do mięśni Kruchość mięsa Marmurko- -watość mięsa Powierzchnia mięśnia najdłuższego grzbietu Zawartość kwasu stearynowego Płodność i reprodukcja Wskaźnik owulacji Jakość nasienia Wiek w okresie dojrzewania płciowego Łatwość porodów

Wybrane funkcjonalne geny kandydujące cech użytkowych u bydła Cechy użytkowości mlecznej Cechy użytkowości mięsnej Cechy zdrowotne Płodność i reprodukcja Acyl CoA acylotranferaza diacylglycerolowa 1 (DGAT1-K232A) Grisart et al Receptor hormonu wzrostu (GHR F279Y) Blott et al Białko FAM13A1 Cohen et al Białko oporności na raka sutka (BCRP/ABCG2) Cohen-zinder et al Podjednostka alfa 1 ko-aktywatora receptora gamma aktywującego proliferacje peroksysomów (PPARGC1A) Weikard et al Osteopontyna Schnabel et al Utlenowany niskocząsteczkowy receptor lipoprotein (OLR1) Khatib et al Miostatyna (MSTN, GDF-8) Grobet et al Tyroglobulina 5 (TG5) Thaller et al Kalpastatyna (CAST) Schenkel et al µ Kalpaina (CAPN-1) Casas et al Czynniki miogeniczne (Rodzina genów MYF) Maak et al Osteopontyna (SPP1) Allan et al Osteopontyna (SPP1 ) Allan et al Czynnik stymulujący osteoklasty (OSTF1) Schwerin et al Receptor urokinazy aktywującej plazminogen (PLAUR) Schwerin et al Kinaza białkowa DNA zależna (PRKDC) Schwerin et al Źródło : Uwzględniono dostępne pozycje bibliograficzne do listopada, 2006

Wybrane funkcjonalne geny kandydujące cech użytkowych u świń Cechy użytkowości mięsnej Jakość mięsa Cechy zdrowotne Płodność i reprodukcja Insulinopodobny czynnik wzrostu_2 (IGF2-G3072A) Van Laere et al. 2003, Estelle et al Receptor rianodyny (Ryr1 - Arg615Cys) Balog et al Desaturaza stearoylo- CoA (SCD) Doran et al Podjednostka gamma kinazy białkowej aktywowanej przez AMP (PRKAG3) Ciobanu et al Receptor melanokortyny4 (MC4R) Bruun et al Receptor melanokortyny 1 (MC1R) Kijas et al , 2001 Leptyna (LEP) i receptor leptyny (LEPR) Ovilo et al Mucyna 4 (MUC4) Jorgensen et al Białko C- reaktywne (CRP) Chomdej et al Beta 1,3- galaktozylo- transferaza (B3GALT) (Python et al. 2005) Białko wiążące retinol 4 (RBP4) Rothschild et al Receptor hormonu uwalniajacego gonadotropinę (GNRHR) Jiang et al Hormon stymulujący wzrost pęcherzyka (FSHB) Du et al Fukozyltransferaza 1 (FUT1) Horak et al Receptor erytropoetyny (EPOR) Vallet et al Źródło : Uwzględniono dostępne pozycje bibliograficzne do listopada, 2006

Strategie detekcji funkcjonalnych genów kandydujących (cech użytkowych zwierząt) Mapowanie LE i LD Podejście do odkrywania genów kandydujących In silico Formy ekspresji genów Anotacja sekwencji całego genomu Zróżnicowana ekspresja genów QTH QTL e-QTLs (eksprecyjne QTLs) Analiza sprzężeń Szlaki metaboliczne Klonowanie pozycyjne regionu QTL Mapownie porównawcze Użytek genów candidujących w praktyce hodowli zwierząt

Mapowanie LE i LD In silico Formy ekspresji genów Mikromacierze cDNA oraz long oligo DNA chip STRSTRSTRSTR SNP ESTs, c-DNA-AFLP SAGE Molekularne metody detekcji funkcjonalnych genów kandydujących (cech użytkowych zwierząt) Bioinformatyczna analiza baz danych Detekcja genów kandydujących RFLP, SSCP, DGGE, Sekwencjonowanie DNA Illumina SNP chip AFLP, cDNA-AFLP

Mięsień najdłuższy grzbietu (bia ł y) Mięsień brzuchaty łydki (czerwony) Źrodło: Bai et al Eksperyment z wykorzystaniem mikromacierzy :Analiza profilu ekspresji genów związanych z jakością mięsa Jakie geny ulegają ekspresji w mięśniach jasnych a jakie w mięśniach czerwonych? Izolacja mRNA Synteza cDNA i znakowanie Hybrydyzacja do mikromacierzy Skanowanie mikromacierzy Analiza bazy danych Identyfikacja zróżnicowanej ekspresji genów

Rodzaj II markerów genetycznych 2.1 Markery QTL 2.2 Markery QTL sprzężone z cechami użytkowymi

Markery QTL 1.Loci cech ilościowych (QTL ang. - quantitative trait locus) są regionami chromosomowego DNA wykazującymi związki z poszczególnymi cechami fenotypowymi (hipotetycznymi genami kształtującymi zmienność cech ilościowych) 2.Do identyfikacji regionów QTL wykorzystuje się markery sprzężone z QTL (najczęściej markery mikrosatelitarne) 3.Markery QTLs docelowo prowadzą do wykrycia genów kandydujących, wpływających na daną cechę. 4.Zidentyfikowane regiony QTL można sekwencjonować a uzyskane sekwencje porównać z sekwencjami genów gatunków pokrewnych lub modelowych o znanych funkcjach i ostatecznie identyfikować QTL – czyli mutacje sprawcze kształtujące zmienność cech ilościowych (produkcyjnych).

Liczba zidentyfikowanych QTLs wykazujących związek z cechami użytkowymi u zwierząt gospodarskich Wybrane cechy Liczba QTL Wydajność tłuszczu Wydajność białka 112 Wydajność mleczna 66 Wzrost186 Jakość mięsa 54 Płodność43 Mastitis39 Źródło: Baza danych QTL Wybrane cechy Liczba QTL Cechy pokrojowe 423 Otłuszczenie318 Wzrost187 Skład tłuszczu 40 Wybrane cechy Liczba QTL Wzrost345 Jakość jaj 101 Behawior 45 Odporność na choroby 87 Gatunek Łączna liczba QTL Markery QTL sprzężone z cechami użytkowymi u zwierząt gospodarskich

klasyczny markery genetyczne klasyczny markery genetyczne (Markery- II Rodzaj) Selekcja wspomagana markerami (MAS) Identyfikacja na podstawie markerów QTL sprzężonych z cechami użytkowymi w genomie zwierząt Selekcja wspomagana genami (GAS) Identifikacja na podstawie clonowanie pozycyjne regionów QTL oraz przyczynowa zmienność sekwencji QTN (SNPs) w obrębie genów kandydujących u zwierząt gospodarskich Użytek markerów genetycznych w praktyce hodowli zwierząt Markery genomiki funkcjonalnej (Markery- I Rodzaj)

Integracja genetyki klasycznej (analiza QTL) i genomiki funkcjonalnej (analiza ekspresji genów) u zwierząt gospodarskich Źródło: Arbilly et al Analiza na podstawie sekwencji DNA i danych bioinformatycznych Pozytywny efekt ekspresji genów Zachodzenie genów na siebie Mapowanie markerów genetycznych Analiza ekspresji genów Integracja markerów genetycanych (rodaje I oraz II) w genomice zwierząt gospodarskich

Źródło : Tuggle et al Mapowanie genomu Sekwencjono- wanie genomu Funkcje genomu Zrozumienie genomu Kompleksy biologiczne Wymogi bioinformatyczne Oznaczenie pozycji genu: Mapowanie genetyczne Mapowanie fizyczne Mapowanie porównawcze Mapowanie regionów pQTL Oznaczenie funkcji genu: Porównywanie sekwencji TranskryptomikaProteomika Poznanie szlaków metabolicznych Interaktomika Interaktomika Cechy uwarunkowane poligenowo e QTL Współregulacja Integracja markerów genetycanych (rodaje I oraz II) w genomice zwierząt gospodarskich ---podsumowanie

. Animal Geneome QTL database. Tuggle et al Integration of structural and functional genomics. Animal Genetics, Volume 37, August 2006, pp:1-6. Arbilly et al An integrative approach for the identification of quantitative trait loci. Animal Genetics, Volume 37, August 2006, pp: 7-9. Schenkel et al Association of a single nucleotide polymorphism in the calpastatin (CAST) gene with carcass and meat quality traits of beef cattle. J Anim Sci Feb;84(2): Casas et al Effects of calpastatin and micro-calpain markers in beef cattle on tenderness traits. J Anim Sci Mar;84(3): Maak et al Identification and analysis of putative regulatory sequences for the MYF5/MYF6 locus in different vertebrate species. Gene Sep 1;379: Allan et al Association of a single nucleotide polymorphism in SPP1 with growth traits and twinning in a cattle population selected for twinning rate.J Anim Sci Oct 13; [Epub ahead of print] Khatib et al Association of the OLR1 gene with milk composition in Holstein dairy cattle. J Dairy Sci May;89(5): Bruun et al Evaluation of the porcine melanocortin 4 receptor (MC4R) gene as a positional candidate for a fatness QTL in a cross between Landrace and Hampshire.Anim Genet Aug;37(4): Doran et al A reduced protein diet induces stearoyl-CoA desaturase protein (SCD) expression in pig muscle but not in subcutaneous adipose tissue: relationship with intramuscular lipid formation..Br J Nutr Mar;95(3): Estelle et al Effect of the porcine IGF2-intron3-G3072A substitution in an outbred Large White population and in an Iberian x Landrace cross..J Anim Sci Dec;83(12): Ovilo et al Fine mapping of porcine chromosome 6 QTL and LEPR effects on body composition in multiple generations of an Iberian by Landrace intercross.. Genet Res Feb;85(1):57-67 Buske et al., 2005 Analysis of (BF) genotypes associated with litter size in a commercial pig cross population, J. Anim. Breed. Genet., Volume: 122, (2005), pp. 259—263 Horak et al The FUT1 and ESR genes – their variability and associations with reproduction in Přeštice Black-Pied sows, J. Anim. Breed. Genet., Volume: 122, (2005), pp. 210—213 Vallet et al Allelic variation in the erythropoietin receptor gene is associated with uterine capacity and litter size in swine, Anim. Genet., Volume: 36, (2005), pp Cohen-zinder et al Identification of a missense mutation in the bovine ABCG2 gene with a major effect on the QTL on chromosome 6 affecting milk yield and composition in Holstein cattle. Genome Res Jul;15(7): Schnabel et al Fine-mapping milk production quantitative trait loci on BTA6: analysis of the bovine osteopontin gene. Proc Natl Acad Sci U S A. 10;102(19): Schnabel et al Fine-mapping milk production quantitative trait loci on BTA6: analysis of the bovine osteopontin gene. Proc Natl Acad Sci U S A. 10;102(19): Python et al Inheritance of the F4ab, F4ac and F4ad E. coli receptors in swine and examination of four candidate genes for F4acR JABG,122:5-14. References

Weikard et al The bovine PPARGC1A gene: molecular characterization and association of an SNP with variation of milk fat synthesis. Physiol Genomics Mar 21;21(1):1-13. Jørgensen et al Porcine polymorphisms and methods for detecting them. International application published under the patent cooperation treaty. (PCT). PCT/DK2003/ or WO2004/ A2]. Cohen et al Cloning and characterization of FAM13A1--a gene near a milk protein QTL on BTA6: evidence for population-wide linkage disequilibrium in Israeli Holsteins. Genomics Aug;84(2): Chomdej et al Detection of SNPs and linkage and radiation hybrid mapping of the porcine C-reactive protein (CRP ) gene. Animal Genetics, 35, Issue 6, Page Van Laere et al Van Laere et al A regulatory mutation in IGF2 causes a major QTL effect on muscle growth in the pig. Nature 425:832–836 Bai et al Development of a porcine skeletal muscle cDNA microarray: analysis of differential transcript expression in phenotypically distinct muscles. BMC Genomics. 4::8-22. Blott et al Molecular dissection of a quantitative trait locus: a phenylalanine-to-tyrosine substitution in the transmembrane domain of the bovine growth hormone receptor is associated with a major effect on milk yield and composition.Genetics 163: 253–266. Thaller et al DGAT1, a new positional and functional candidate gene for intramuscular fat deposition in cattle.Anim Genet Oct;34(5):354-7 Grisart et al Positional candidate cloning of a QTL in dairy cattle: identification of a missense mutation in the bovine DGAT1 gene with major effect on milk yield and composition. Genome Res. 12: 222–231. Du et al., 2002 Research on Alu element inserted mutation in porcine FSH beta subunit gene (in Chinese, with English abstract), Yi Chuan Xue Bao, Volume: 29, (2002), pp. 977—982 Ciobanu et al Evidence for new alleles in the protein kinase adenosine monophosphate-activated gamma(3)-subunit gene associated with low glycogen content in pig skeletal muscle and improved meat quality. Genetics : Kijas et al A frameshift mutation in MC1R and a high frequency of somatic reversions cause black spotting in pigs.. Genetics Jun;158(2): Balog et al Divergent effects of the malignant hyperthermia-susceptible Arg(615)-->Cys mutation on the Ca(2+) and Mg(2+) dependence of the RyR1.Biophys J Oct;81(4): Jiang et al., 2001 The porcine gonadotropin-releasing hormone receptor gene (GNRHR): genomic organization, polymorphisms, and association with the number of corpora lutea, Genome, Volume: 44, (2001), pp. 7—12 Rothschild et al., 2000 Investigation of the (RBP4) gene as a candidate gene for increased litter size in pigs, Mamm. Genome, Volume: 11, pp. 75—77 Kijas et al Melanocortin receptor 1 (MC1R) mutations and coat color in pigs.Genetics (3): Grobet et al A deletion in the bovine myostatin gene causes the double-muscled phenotype in cattle. Nat Genet. 17:71-4. References