Genetika skotu, ovcí a koz Dr. Ing. Tomáš Urban Ústav morfologie, fyziologie a genetiky zvířat MZLU v Brně urban@mendelu mendelu.cz Genetika 1 Biodiverzitní charakteristiky Druh Skot Bos taurus Ovce Ovis aries Kozy Capra hircus Chromozomy 2n 60 54 60 Typ chr. akrocentrické 3 metacen. 23 akrocen. akrocentrické C-hodnota * (pg) 3,43 3,93 2,34 3,50 3,24 Zmapovaných lokusů # 4357 1722» 731 Počty genů # 1558 370» 271 C-hodnota ~ množstv ství DNA / haploidní buňku (pikogramy kogramy: : 1pg ~ 1G bp) # databáze INRA» stav k roku 2004 (The 'virtual sheep genome' project has mapped 98 per cent of the sheep's genetic make-up up.. CSIRO, Monday, November 13, 2006 ) Genetika 2 1
Genetika zbarvení skotu 8-10 genů ~ více v mutací ve více v genech > různr zné fenotypy Plemenný znak, vyrovnanost stáda, adaptace v tropických oblastech Pigmenty ~ přítomnost p či i absence melaninu Eumelanin Pheomelanin melanocyty +MSH MC1R receptor melanocyty stimulující hormon (MSH) černé / hnědé červené / žluté Genetika 3 Lokus E (MC1R ) Extension (18. chr.) A Aguti (13. chr.) B (TYRP1) (8. chr.) D zředění Alela E D E + e A + a w a tp Dc Ds Dn - Geny zbarvení skotu dominantní recesivní vůči i E + a E D Dominantní v přítomnosti p E + a hypostatická vůči i E D Recesivní Skoro dominantní Neúpln plná dominance Neúpln plná dominance Zbarvení dominantní černá barva (holštýn, angus, ) původní zbarvení u pratura (jersey, Brown Swiss) červená barva (hereford, red angus, simental) alela původnp vodní, šedé zbarvení světlej tlejší břicho, meziroží,, uši, u hruď zesiluje projev alely a W Zředěná hnědá (Dexter ) Tyrosinase related protein 1 Zředění charolais: heterozygoti: černá > světle šedá; Červená > světle krémov mová homozygoti: : bílíb Zdřed edění simental: heterozygoti: černá > světle šedá; červená > světle červenou; homozygoti: : světlej tlejší Dun: odstranění červené pigmentace, (Brown( Swiss Chianina, ) Genetika 4 2
Geny zbarvení skotu Lokus S Strakatost R (KITLG / MGF ) Roan (5. chr.) Alela S + S H S P s R r Zbarvení nestrakaté pláš ášťové zbarvení (červniky) strakatost typu Hereford = bíláb hlava bílý hřbet h (pinzgavský skot) recesivní strakatost (od téměřt bílé barvy nebo jen bíléb nohy, břicho, ocas) normáln lní zbarvení zbarvení roan u heterozygotů Lokus S: : alela S H je úplně dominantní nad alelou S + a kodominantní k alele S P, alela S P je neúpln plně dominantní k alele S + alela s je recesivní ke všem v ostatním alelám Lokus R: : genotyp Rr podmiňuje zbarvení roan genotyp rr projev tzv. choroby bílých b jalovic (sterilita) Genetika 5 Příklad něn některých genotypů a jejich fenotypových projevů Holštýnský skot (černostrakatý) E D E D A + A + ss RR E D e A + A + ss RR Český strakatý skot ee A + A + ss RR Holštýnský skot (čevenostrakatý) ee A + A + ss RR Genetika 6 3
Hereford ee A + A + S H S H RR Česká červinka ee A + A + S + S + RR Pinzgavský skot ee A + A + S P S P RR Jersey E + E + a W a W ss RR Genetika 7 Transmissible spongiform encephalopathy (TSE) ~ BSE U většiny savců ~ zvýšení resistenci vůči proteináze svou β- strukturou prionového proteinu (PrP), tzv. scrapie isoforma (PrP Sc ; Prusiner, 1991) Predispozice je asociována s mutacemi v tomto genu varianty v bovinním PRNP genu > subsituce AMK nebyly publikovány 3 tiché mutace a několik oktapeptidových opakování v kódujícím segmentu byly detekovány pomocí MS, SNPs a v nekódujících oblastech 2 polymorfismy v nekódující oblasti byly asociovány s BSE (Sander et al. 2004). Asociace v oblasti genů PRNP (13. chr.) a neurofibromin 1 (NF1; 19. chr.) MS markery BSE resistentní genotypy má nižší výskyt infekce, ale může infekční priony přenášet!!! Genetika 8 4
Geny mléčných bílkovinb Kaseiny (6. chromozom) α s1- kasein (α s1 Cn) A, B, C, D, E α s2- kasein (α s2 - Cn) A, B, C, D β kasein (β Cn; ; CSN2) A1, A2 (zdravé mléko) ko), A3 (produkce mléka) ka),, A5, B, C, D, E, H κ kasein (κ Cn; ; CSN3) - A, B,, E (sýry) Syrovátkov tkové proteiny α - laktalbumin (α - La) 5. chr., A, B β - laktoglobulin (β - Lg) ) 11. chr., BB > více v tuku a kaseinů v mléce, AA > více v mléka DGAT1 (acyl CoA: diacylglycerol acyltransferasa) gen asociován n s lokusem QTL na 14. chr.. a zvýšen ením m množstv stvím m tuku v mléce a snížen ení kg mléka a množstv ství bílkovin 4 polymorfismy Genetika 9 β Cn; ; CSN2 A1 (His) rizikový faktor pro diabetes I. typu (dětský); asociace s výskytem srdečních onemocnění, autismus Více mléka, více v tuku A2 (Pro) redukuje sérový cholesterol Genetika 10 5
κ Cn; ; CSN3 AA Vyšší produkce mléka (kg) Nižší obsah tuku a bílkovin b (%) Pomalejší sýřitelnost Nižší jakost a produkce sýřeniny Nižší výtěž ěžnost sýra Zastoupení v populacích ch skotu v ČR R 20-70% (H) a 18 40% (ČS)( BB Nižší produkce mléka (kg) Vyšší obsah tuku a bílkovin b (%) Větší micely Rychlejší sýřitelnost Vyšší jakost a produkce sýřeniny Vyšší výtěž ěžnost sýra Zastoupení v populacích ch skotu v ČR 1-5% (H) a 9 20%(ČS) Genetika 11 FMO3 gen Syndrom rybího pachu trimetylaminurie (autozomálně recesivní onemocnění u lidí) Kvalitativní defekt mléka > zvýšen ená hladina trimetylaminu (TMA) > nesmyslná mutace v FMO3 genu u jednoho plemene skotu - Swedish Red and White dojný skot (SRB) Gen FMO3 kóduje enzym flavin-containing mono-oxygenase oxygenase > mutace > ztráta ta funkčnosti nosti > zhoršena oxidace TMA v játrech > rybí pach Mutace R238X > předp edčasná terminaci transkripce > kompletní ztráta ta aktivity enzymu Genetika 12 6
Geny zmasilosti u skotu MYOD rodina Myf3 (MYOD1-15. chr.), Myf5 (5. chr.) determinace myoblastů Myogenin (Myf4 16. chr.) spojování myoblastů do vícejaderných myofibril IGF rodina (inzulínu podobné růstové faktory) IGF1 (5. chr.), IGF2 (29. chr.) vliv na myogenezi Myostatin MSTN (GDF8) (2. chr.) blokuje buněčné dělení, blokuje vliv myogeninu (negativní regulace) > zamezuje tvorbě myofibril v embryonálním stádiu Genetika 13 Vznik dvojitého osvalení skotu Gen MYOSTATIN (MSTN BTA 2) 2 protein (člen velké rodiny molekul zvaných transforming growth factors beta (TGF-β), někdy označovaný jako growth and differentiation factor-8 (GDF-8) blokuje vliv myogeninu a tím zamezuje tvorbě dalších myoblastů, myofibril a svalových vláken MUTACE MSTN = ztráta ta funkce blokády = většív množstv ství svalových buněk, fibril a vláken Vznik DVOJITÉHO OSVALENÍ u skotu Belgického modro-bílého plemene, jeho systematické šlechtění od roku 1807, podmíněné genotypy recesivních ch homozygotů Výsledek dvojité osvalení = 20 % - 43 % nárůst n svalové hmoty 50 % redukce lipidů lepší konverze krmiva větší hřebenové svaly na lopatce (svíčkov ková) Genetika 14 7
delece 11 bazí DNA ve 3. exonu (937 947)> mutovaný protein kratší o 89 AMK a posledních 11 AMK má jiný smysl > Belgické Modré> hypertrofie a hyperplasie svalových vláken a zvýšení svalové hmoty Hyperplazie = zvětšení orgánu způsobené zvýšení počtu svalových vláken Hypertrofie = zvětšení orgánu způsobené zvětšením velikosti individuálních svalových vláken 20 25% nárůst svalové hmoty, 50% redukce lipidů (IMT), lepší konverze krmiva snížení velikosti vnitřních orgánů, snížení plodnosti u samic, oddálení pohlavní dospělosti, nižší životaschnopnost potomků Piedmontese C -> A v 1. exonu > substituce Leu za Phe G -> A v 3. exonu > substituce Cys za Tyr Bodová mutace C > T - plemena Charolais, Piemont, Manie Anjou, Limusine (další 2 mutace) ~ recesivní homozygoti = vyšší zmasilost popsáno více mutací > ztrátu funkce myostatinu > svalová hyperplazie Genetika 15 Heritabilita (h 2 ) u skotu procenta bílkovin b a tuku v mléce kg mléka procentem bílkovin b a tuku obsah libového masa Výška hřbetnh betního tuku Procento libového masa Mramorování masa (subjektivní) Procento intramuskulárn rního tuku Procentem IMT a mramorování masa Konečné ph masa Tuhost libového masa Výskyt dvojčat Délka březostib Servis perioda Obtížnost porodů r GxGy 0,49 (0,19 aža 0,79) 0,54 (0,26 aža 0,93) r GxGy 0,50 aža 0,70 0,25 aža 0,35 GxGy = 0,48 aža 0,70 0,50 (0,26 aža 0,76) 0,39 (0,25 aža 0,56) 0,71 GxGy = 0,65 aža 0,96 0,15 (0,10 aža 0,19) 0,30 0,005 0,1 0,22 0,64 0,01 0,06 0,03 0,29 Genetika 16 8
Genetika ovcí The 'virtual sheep genome' project has mapped 98 per cent of the sheep's genetic make-up up.. CSIRO, Monday, November 13, 2006 The virtual sheep genome a physical DNA map of more than 98 per cent of the sheep genome will be made publicly available by CSIRO this week. It contains the best bet about where the sheep s vast amount of hereditary information can be found on its 26 chromosomes. The new sheep genome data will now fast-track the identification of the crucial genes responsible for sheep health and productivity, as well as for wool and meat quality. It is set to speed up the development of DNA marker tests, which will allow sheep breeders to identify and select animals with superior muscle quality and quantity, parasite resistance and wool quality. Genetika 17 Geny zbarvení u ovcí Geny Alely efekt aguti A wt, A gt, A g, A b, A t, A a Určuje, která vlákna budou zbarvená, a která bílá, symetricky po celém těle černá/hnědá zředění Extension MC1R (14. chr.) B B, B b D D, D d E d, E + Určuje, zda pigment eumelanin bude exprimován jako černá nebo hnědá barva Černá > modro šedá a hnědá > světle hnědá (plavá) nemusí být u všech plemen ovlivňuje expresi genu aguti Genetika 18 9
Geny plodnosti FecB gen plodnosti booroola gen (alela B, +) 6q23-31 31 Gen BMPR-IB (bone morphogenetic protein receptor IB) (Wilson et al.,, 2001; Mulsant et al.,, 2001; Souza et al.,, 2001). substituce Q249R (Gln( Arg) Mutace zvyšuje plodnost u B+ (1,5 vajíčka a 1 jehně ve vrhu navíc) a ještě více u BB samic (3 vajíčka a 1,5 jehněte ve vrhu navíc) plemeno booroola australských merinek, Garole (Indie), Javanese ovlivňuje velikost vrhu, hmotnost těla, t vývoj ovarií plodu, počet zárodečných buněk FecX - gen plodnosti inverdale - X chromozom (alela I, +) oocyte-derived growth factor gene (BMP15) (Galloway et al., 2000), známý jako growth and differentiation factor-9 (GDF9) vícenásobná ovulace, vývoj zárodez rodečných buněk, folikulogeneze homozygotní nosiči i mutace - neplodnost - II heterozygoti I+ o 1 vajíčko více v než homozygoti ++ mutantní alely I, H, B, G (Romney, Belclare, Cambridge, Lacaune) oba geny ovlivňují folikulogenezi u plodu Genetika 19 Další geny plodnosti ovcí FecX2 W - Woodlands plodnost - je maternáln lně imprintovaná (od matky je ztišena) - X chromozomu (Coopworth( Coopworth) FecG H 5. chromozom (Belclare( Belclare,, Cambridge) Gen GDF9 H+ > + 1,4 ovul.. vajíček; HH neplodnost samic FecL L 11. chromozom (Lacaune( Lacaune) FecI I? chromozom (Icelandic( Icelandic) II neplodnost samic Genetika 20 10
Lokus pro rohatost ovcí lokus rohatosti (Ho) : 1. a 10. chromozom (nejméně 2 geny?) Genetika 21 Geny masné užitkovosti gen calpain regulační podjednotka (CANP)? chr. gen caplain těžká podjednotka L3 (CANP3) 7. chr. ubikvitin calcium-dependent dependentní protein inázy (μ-calpain a m-calpainm calpain) gen calpastatin (CAST) 5 chr.; 3 alely (PCR RFLP) - specifiký inhibitor calpainů ovlivňuje negativně postmortáln lní degradaci svalových proteinů kvalitu masa (křehkost) Genetika 22 11
Callipyge callipyge gen (CLPG) 18. chr., blízko telomery > svalově specifická hypertrofie (beder a kýty) (krásné zadky) Mutace u Solid Gold berana, v roce 1983, Dorset Parentální imprinting (jen alela od otce se projeví) a zároveň polárn rní superdominance Projevuje se ve věku 4 týdnů Genetika 23 Histologická analýza Pomalé oxidativní vlákna (typ I) jsou černé,, rychlé oxidativní vlákna (typ IIA) jsou tmavě šedé a rychlé glykolytické vlákna (typ IIB) jsou světle šedé více a většív průměr r rychle stažitelných sval. vláken u callipyge genotypu Genetika 24 12
Genetika 25 CLPG fenotyp Efekt CLPG genotypu vyšší jatečnou výtěž ěžnost a libovější jatečné tělo o 43 % většív plochu nejdelší šího zádovz dového svalu a o 29 % většív hmotnost tohoto svalu a biceps femoris vážil o 52 % více v Lepší konverze krmiva méně vnitřního tuku (kolem ledvin) a méněm podkožního tuku Maso je však v pevné a tužší Genetika 26 13
Dědičnost CLPG CLPG mutace zděděná od matky zasahuje určitým způsobem do účinku aktivní paternáln lní CLPG alely způsob dědid dičnosti > "polárn rní superdominance " (polar( overdominance) Pouze u heterozygotních jedinců,, kteří získali mutaci od otce (+ Mat / CLPG Pat ) se projeví callipyge fenotyp Genetika 27 Tranzice A -> G SNP je vysoce asociováno s fenotypem CLPG Genetika 28 14
Kvantita a kvalita vlny Klasické šlechtění ovcí > na vysokou hmotnost vlny a současně na snížení průměru vláken Nízký genetický zisk (asi 1 nebo několik %/rok). Hledání genetických markerů pro kvalitu vlny (markery pigmentace, pokrytí rounem, ) Hledají se geny determinující vývoj folikulů > možnost měnit počet, velikost, tvar a aktivitu folikulů Genetika 29 Hustota vlny Jemnost vlny Délka vlny Plocha MLD Rezistence k parazitům Kg mléka Kg tuku Kg bílkovinb % tuku % bílkovinb Heritabilita (h 2 ) u ovcí r op r op r op Výška hřbetnh betního tuku nad MLD 0,6 0,8 0,4 0,6 0,5-0,9 0,2 0,73 0,5 0,23 0,50 0,53 0,38 0,15-0,54 0,23-0,27 0,22-0,24 0,49-0,64 0,13-0,53 Genetika 30 15
Lokalizace genů mléčných proteinů v genomech ovce a koz lokus označení ovce koza α s1 kasein CSN1S1 6 6q32 α s2 kasein CSN1S2 6 6q32 β kasein CSN2 6 6q32 κ kasein CSN3 6 6q32 α laktalbumin LALBA 3q21 5q21 β laktoglobulin LGB 3q28 11q28 Genetika 31 Mapování genomu koz Mapping the Caprine Genome (Goat) INRA Sumárn rní statistika lokusů 731 Genů 271 Mikrosatelitů 423 INRA goatmap Database Genetika 32 16
Výběr r zmapovaných genů koz ASIP MC1R TYR CAST CSN1 DMD ESR1 GOLA PRNP LEPR 13q22 18q13 29q12 7q26-q27 q27 aguti melanocortin 1 receptor tyrosinasa (albinismus) calpastatin 6q kasein (α,( κ, β, α s1, α s2 ) Xq12 dystrofin [svalová dystrofie] 8q25-q27 q27 estrogen receptor 1 23q22 MHC 13q17 prion protein 3q33 leptin receptor Genetika 33 Heritabilita (h 2 ) u koz Plodnost % tuku v mléce Věk k při p i prvním m porodu % bílkovin b v mléce Množstv ství mléka za laktaci Konverze krmiva Hmotnost JOT 0,05 0,40 0,55 0,55 0,50 0,39 0,40 0,45 0,50 Genetika 34 17