The use of sequence information to characterize dairy cattle populations

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Molekulargenetische Informationen und ihre Anwendung in der Charakterisierung und Analyse von Milchviehpopulationen
2.1 Differenzierung von Rassen am Beispiel dreier dänischer Milchviehrassen
2.1.1 Differenzierung von Rassen auf DNA-Sequenz-Ebene
2.1.2 Differenzierung von Rassen auf Annotations-Ebene
2.1.3 Persistenz von Kopplungsungleichgewichten (LD)
2.2 Identifizierung von QTL, welche einen Einfluss auf die Ausprägung des Merkmals Mastitis haben, am Beispiel dänischer Milchviehrassen
2.2.1 Anwendung und Nutzen der QTL-Kartierung
2.2.2 QTL-Kartierung für das Merkmal Mastitis

3 Schlussbetrachtung

4 Literarturverzeichnis

1 Einleitung

Im Rahmen des „Seminars zu aktuellen Themen der Nutztierforschung“ (Modul 375) im Studiengang der Agrarwissenschaften wurde am 21. November 2012 der Vortrag „The use of sequence information to characterice dairy cattle populations“ von Dr. Guldbrandtsen vom Department of Molecular Biology and Genetics der Universität Aarhus gehalten.

Das Hauptziel in der Tierzucht ist es, Individuen mit hohen Zuchtwerten für interessante Merkmale zu selektieren und als Elterntiere für die nächste Generation schnellstmöglich einzusetzen. Somit stellt das primäre Ziel der Genomanalyse bei Rindern die Klärung der Ursachen phänotypischer Variationen auf genetischer Ebene dar. Durch den Nachweis merkmalsassoziierter Genvarianten sowie unterschiedlicher Genexpressionsmuster und der daraus resultierenden Kenntnis der Merkmalsausprägung zugrunde liegenden Mechanismen ist es bspw. möglich die beobachteten Muster und (Un-)Ähnlichkeiten zwischen dänischen Milchviehrassen im Hinblick der individuellen Populationsgeschichte zu interpretieren sowie mittels Quantitative Trait Loci (QTL)- und Feinkartierung leistungs- und krankheitsassoziierten Genen und deren Varianten effektiv zu suchen, welches zugleich eine effiziente Rassenüberprüfung gewährleistet.

Das Ziel dieser Arbeit ist es einen allgemeinen Überblick über den von Dr. Guldbrandtsen gehaltenen Vortrag in Hinblick auf die Betrachtung der verschiedenen Aspekte der Anwendung von molekulargenetischen Informationen in der genomischen Charakterisierung und Analyse von verschiedenen Milchviehpopulationen zu geben. Dabei wird zunächst auf die Differenzierung von Rassen auf DNA-Sequenz- und Annotations-Ebene sowie auf die Persistenz von Kopplungsungleichgewichten am Beispiel dreier dänischer Milchviehrassen unter Betrachtung von Sequenzvariationen eingegangen. Zudem wird auch die Identifizierung von QTL, welche einen Einfluss auf die Ausprägung des Merkmals Mastitis haben, bei dänischen Milchviehrassen aufgezeigt.

2 Molekulargenetische Informationen und ihre Anwendung in der Charakterisierung und Analyse von Milchviehpopulationen

Das Genom von Rindern besteht aus 30 Chromosomenpaaren, 29 Autosomen und zwei Geschlechtschromosomen, wobei die DNA des Rindes selbst aus ca. 3*109 Basenpaare (bp) mit einer Länge der genetischen Karte von ~3.000 centiMorgan (cM) besteht (NEUNER, 2009). Um die kausale DNA-Variation von Merkmalsvariationen bei Rindern festzustellen, werden verschiedene Arten von Markern bei der Markergestützten Selektion (MAS) bzw. der genomischen Selektion eingesetzt. Für Rinder wurden die Mikrosatelliten-Marker (SSLP) zuerst von FRIES et al. (1990) beschrieben. Diese stellen mit zwei bis sechs Basenpaaren (bp) kurze, tandemartige, nicht kodierende DNA-Sequenzen, welche im Genom 10-100fach wiederholt auftreten, dar. Bei den seit ca. 2008 vielfältig verwendeten Single Nucleotide Polymorphisms (SNP)-Chips, die es ermöglichen ausgewählte Loci oder Chromosomen zu untersuchen, handelt es sich um Polymorphismen in der Genomsequenz an einzelnen Nukleotidpositionen, wobei dies in einem nicht kodierenden Bereich oder in einem Gen stattfinden kann (NEUNER, 2009), welche etwa alle 1.000 Basen auftreten und dann als polymorph bezeichnet werden, wenn die Frequenz der häufigeren Variante < 99% beträgt (LANDGREN et al., 1998). Die ersten Whole Genome Scans (WGS), d. h. Kopplungsanalysen zur Messung von Kopplungsungleichgewichten (LD) mit anonymen Markern, wobei sich dabei mehrere Marker in relativ regelmäßigen Abständen auf jedem Chromosom befinden (ANDERSSON, 2001; OLSEN et al., 2002; THALLMAN, 2009), wurden durch GEORGES et al. (1995) initiiert und vermehrt seit ca. 2011 (GULDBRANDTSEN, 2012) durchgeführt.

Es bestehen nach GULDBRANDTSEN (2012) mehrere Arten von Anwendungen molekulargenetischer Informationen.

1) Genomanalyse
- Quantitative Trait Nucleotide (QTN)-Identifizierung
- Feinkartierung
- Effiziente Rassenüberprüfung

2) Informationen für genomische Vorhersagen
- Wahre Kopplungsungleichgewicht (LD)-Informationen
- Kreuzungszucht-Vorhersagen

3) Studie der Populationsgeschichte
- Footprint der Auswahl
- Populationsstruktur und Einkreuzung

2.1 Differenzierung von Rassen am Beispiel dreier dänischer Milchviehrassen

Rinder wurden zum einen durch positive natürliche Selektion und zum anderen durch den Einfluss künstlicher Selektion, die in jüngster Vergangenheit insbesondere durch den Einsatz von anspruchsvollen quantitativgenetischen und reproduktiven Techniken begünstigt wird, geprägt. Zudem kann die genetische Variation in einer gegebenen Population durch die Genom beeinflussenden Prozesse Mutation, Rekombination, Migration, Selektion, genetischer Drift und nicht-zufällige Paarung erhöht werden.

Die drei dänischen Milchviehrassen Dänisch Jersey (Danish Jersey, JER), Dänisch Holstein (Danish Holstein, HOL) und Dänisches Rotvieh (Red Danish Cattle, RDC) wurden in Bezug auf Differenzen in der Menge von Sequenzvariationen betrachtet und verglichen, um Aussagen über den Grad der (Un-)Ähnlichkeit zwischen den Rassen auf DNA-Sequenz- und Annotations-Ebene sowie hinsichtlich der Persistenz von LD zu machen und im Hinblick der bekannten individuellen Populationsgeschichte interpretieren zu können. Für die Datenerhebung wurden nach GULDBRANDTSEN (2012) je Rasse ~30 Bullen, welche den größten genetischen Beitrag an der aktuellen dänischen Milchviehpopulation von JER, HOL und RDC aufweisen, ausgewählt und bis zu einer Tiefe von ~10X sequenziert (GULDBRANDTSEN, 2012; GULDBRANDTSEN et al., 2012). Die Analyse der aus Samenproben stammenden DNA, welche an der Universität Aarhus, Research Center Foulum, Faculty of Agricultural Sciences gewonnen wurde, erfolgte am Beijing Genomics Institute Shenzhen mittels Illumina Sequenzern (Illumina, San Diego, USA) (GULDBRANDTSEN, 2012; GULDBRANDTSEN et al., 2012). Anschließend erfolgte mittels UMD3.1 die Anordnung des Genoms (GULDBRANDTSEN, 2012). Bei dieser Anordnung werden sowohl tausende von Lücken geschlossen als auch viele InDels, welche insbesondere Polymorphismen darstellen, die auf einer kombinierten Deletions/Insertions-Mutation beruhen, Translokationen und Einzelnukleotid-Fehler korrigiert und abschließend ausgerichtet.

2.1.1 Differenzierung von Rassen auf DNA-Sequenz-Ebene

Die Ergebnisse der Analyse zeigten, dass bei den drei Rassen JER, HOL und RDC insgesamt mehr als ~23 Millionen Polymorphismen, worunter im Allgemeinen das Auftreten einer oder mehrerer Genvariationen innerhalb einer Population, wobei hier die Allefrequenz für das variante Allel >1% in der Population ist, verstanden wird, identifiziert werden konnten (GULDBRANDTSEN, 2012; GULDBRANDTSEN et al., 2012). Bei den meisten Chromosomen konnten zwischen 8.000-9.000 Polymorphismen pro Megabase (Mb) beobachtet werden. Bei den Autosomen BTA12, -23, -27 und -29 hingegen liegt mit im Durchschnitt von ~11.000 Polymorphismen pro Mb eine höhere Dichte an Markern vor. Das X-Chromosom BTX weist im Vergleich zu den vorangegangenen Chromosomen mit 4.440 Polymorphismen pro Mb eine wesentlich geringere Dichte von Marken auf. Die Verteilung der Polymorphismen in den Autosomen BTA12, -23, -27 und -29 sowie dem X-Chromosom BTX sind in Tabelle 1 dargestellt.

Tab. 1: Auflistung der Verteilung der Polymorphismen in den Autosomen BTA12, -23, -27 und -29 und dem X-Chromosom BTAX (nach GULDBRANDTSEN, 2012).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1) Die Zahlenangaben sind in 1.000 Polymorphismen pro Mb aufgeführt.

Desweiteren sind die in den drei Milchviehrassen JER, HOL und RDC beobachteten Polymorphismen in Abbildung 1 in Form eines Venn-Diagramms dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: -------------Venn-Diagramm über die Aufteilung der polymorphen Orte in den drei Rassen JER, HOL und RDC. Die Zahlenangaben sind in Millionen (M) Polymorphismen aufgeführt (nach GULDBRANDTSEN, 2012).

Die Mehrheit der Polymorphismen (12,31M) ist zwischen allen Rassen aufgeteilt, wobei in Bezug der Größe der Überschneidungen an beobachteten Polymorphismen zwischen den Rassen differenziert werden kann (GULDBRANDTSEN, 2012). So liegt zwischen den Rassen HOL und JER die kleinste Überschneidung mit 0,46M + 12,31M und zwischen den Rassen HOL und RDC die größte Überschneidung mit 3,11M + 12,31M vor (s. Abb. 1). Letzteres ist durch den Genfluss von HOL zu RDC bedingt durch die Populationsgeschichte in Form von Einkreuzungen zu interpretieren. So wurde seit ca. 1970 zur Verbesserung der Milchleistung dieser Rasse neben American Brown Swiss (GULDBRANDTSEN, 2012) und nordischen Rotviehrassen wie bspw. Finnisches Ayrshire und Norwegisches Rotvieh (KANTANEN et al., 2000) insbesondere HOL eingekreuzt. Desweiteren werden die meisten individuellen Polymorphismen bei RDC (1,65M) aufgezeigt (GULDBRANDTSEN, 2012). Demnach fast doppelt so viele Polymorphismen wie bei JER (0,96M) und HOL (0,88M). JER ist hingegen weiter entfernt verwandt (GULDBRANDTSEN et al., 2012; KANTANEN et al., 2000).

Diese Aussagen werden durch die Ergebnisse der Frequenzenanalyse der Referenz-Allele in den drei Milchviehrassen JER, HOL und RDC, die in Abbildung 2 dargestellt sind, bestätigt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2: Diagramm-darstellung.. der Referenz-Allele der drei Rassen JER, HOL und RDC. Frequenz des Referenz-Allels ist an der X-Achse und die Anzahl der Polymorphismen an der Y-Achse aufgeführt (nach GULDBRANDTSEN,-- 2012).

In allen drei Rassen dominieren bei den Polymorphismen die Referenz-Allele. Demzufolge liegen die Allele überwiegend in den Referenz-Loci. Jedoch konnten zwischen 500.000-800.000 Abweichungen von den Referenz-Loci verzeichnet werden (GULDBRANDTSEN, 2012; GULDBRANDTSEN et al., 2012). Desweiteren besitzt RDC im Vergleich zu JER und HOL den niedrigsten Anteil an Polymorphismen bei bzw. in der Nähe der Referenz-Loci (GULDBRANDTSEN, 2012; GULDBRANDTSEN et al., 2012). Dies lässt sich zum einen durch die bereits angeführten meisten individuellen Polymorphismen von RDC, die bezogen auf JER (0,96M) und HOL (0,88M) in ein Ausmaß von fast doppelter Anzahl (1,65M) zu beobachten sind, unterstreichen und zum anderen durch den Genfluss in Form von Einkreuzungen begründen. Es ist anzunehmen, dass jeder der eingekreuzten Rassen Allele beigetragen hat, welche eine Differenz zu den Referenz-Allelen aufweisen (GULDBRANDTSEN et al., 2012).

Die Verwandtschaftsbeziehungen der drei Rassen JER, HOL und RDC nach KANTANEN et al. (2000) sind in Abbildung 3 dargestellt.

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