Technologia

Wycena genomowa

23 lipca, 2013
5.KROWY

         Selekcja genomiczna stała się największą innowacją w poprawie jakości bydła mlecznego od momentu wprowadzenia próbkowania młodych rozpłodników oraz programu potwierdzania na córkach, który został wprowadzony ponad pół wieku temu. Poniżej przedstawiamy historię rozwoju tej fascynującej technologii.

1953-2013 historia wyceny genomicznej

Model DNA został odkryty w 1953 roku przez badaczy Francoisa Cricka oraz Jamesa Watsona. W 1968 roku amerykańscy naukowcy: Marshall Nirenberg, Har Khorana oraz Robert Holley otrzymali nagrodę Nobla za odkrycie i opisanie kodu DNA. Te odkrycia doprowadziły do wynalezienia genomiki. Wiele lat później naukowcy badający bydło mleczne zajęli się poszukiwaniem pojedynczych genów, które modyfikują cechy istotne dla polepszenia jakości bydła. Opracowali metodę oznaczania chromosomów aby wykryć regiony, które mogłyby zawierać ważne geny. Naukowcy nazwali te regiony Loci cech ilościowych (QTL – ang. quantitative trait loci). Badanie QTL rozwinęło się intensywnie w latach 90 oraz pierwszych latach nowego tysiąclecia. Mimo, że te badania wydawały się bardzo obiecujące, miały swoje ograniczenia. Metoda ta znalazła swoje zastosowanie dla cech, które są kontrolowane za pomocą tylko jednego genu, np. kolor sierści lub wady genetyczne takie jak Wrodzony Niedobór Leukocytarnych Cząsteczek Adhezyjnych lub Zespół Deformacji Kręgów. Jednak większość cech istotnych dla hodowców jest regulowana za pomocą wielu genów. Na przykład, produkcja mleka jest wynikiem wielu czynników, do których należy zdrowie zwierzęcia, jego apetyt oraz metabolizm. Praktycznie niemożliwie jest znalezienie jednego lub dwóch genów, które są odpowiedzialne za mleczność krowy. Odkrycie genu DGAT, który  odpowiada za zawartość tłuszczu i protein było ważnym wydarzeniem, jednak wpływ tego genu nie był dość duży aby wywołać zmianę w sposobach wyceny bydła w przemyśle mleczarskim. Mimo, że odkryto wiele QTL, wyniki były bardzo trudne do odtworzenia w innych grupach.

 

PROJEKT POZNANIA LUDZKIEGO GENOMU

Czy pamiętacie międzynarodowy projekt mapowania ludzkiego genomu? Przykuł na sobie uwagę opinii publicznej i bardzo często pojawiał się w wiadomościach na  całym świecie. Było to bardzo duże przedsięwzięcie, które trwało od 1990 do 2003 roku, w tym czasie pracowali nad nim naukowcy z wielu państw. Łączny koszt tego projektu to ok. 3 miliardy dolarów. Ile kosztowałoby zmapowanie genomu dzisiaj? Dzięki ulepszeniu technik sekwencjonowania, obecnie kosztowałoby to ok 4-5 tysięce dolarów, a wkrótce ten koszt spadnie do 1 tysiąca dolarów. To jest dopiero postęp technologiczny!

 

             GENOM BYDLĘCY

W czasie swojego trwania ten wielki międzynarodowy projekt otarł się o zawstydzającą porażkę w  wyścigu o identyfikację genomu ludzkiego. Naukowiec, Craig Ventner zastosował inne, znacznie mniej precyzyjne podejście do sekwencjonowania genów przy czym twierdził, że osiągnie cel szybciej niż międzynarodowe konsorcjum. Ostatecznie, praca Craiga Ventnera zmotywowała badaczy-konkurentów do opracowania nowych metod, których celem było szybsze doprowadzenie projektu do końca. Praca nad identyfikacją genomu ludzkiego otworzyła furtkę do badań genomów innych gatunków. Mapowanie genomu bydlęcego, które tak jak to miało miejsce w przypadku genomu ludzkiego, wiązało się ze znalezieniem i uporządkowaniem 3 miliardów par zasad, które wchodzą w skład DNA, odbyło się znacznie szybciej. Kosztowało to 50 milionów dolarów i zostało ukończone w 2006.

 

NAGŁY SKOK JAKOŚCIOWY

W międzyczasie nastąpiła nagła zmiana w badaniach prowadzonych nad poprawą jakości żywca. Została ona opisana w pracy pt. „Przewidywanie całkowitej wartości genetycznej w oparciu o gęste mapy znacznikowe całego genomu” autorstwa Theo Meuwissen’a (Holandia), Bena Hayes’a (Australia) oraz Mike’a Goddard’a (Australia) opublikowanej w 2001 roku. Zamiast identyfikowania poszczególnych genów, które mają wpływ na konkretne cechy, praca ta sugerowała ocenianie danego zwierzęcia za pomocą jednego, ogólnego wskaźnika genetycznego, opartego na informacji pobranej z tysięcy znaczników rozmieszczonych na jego kodzie DNA. Okazało się to dużym krokiem naprzód w sposobie myślenia na temat oceny bydła. W momencie ukończenia prac nad sekwencjonowaniem genomu bydlęcego dostępnych było wiele znaczników odpowiadających molekułom DNA, które określały indywidualne cechy każdej sztuki. Znaczniki te zostały zgrupowane i  określone jako polimorfizm pojedynczych nukleoidów, SNP (z ang. – single nucleotide polymorphisms). Rozwijano nowe, oszczędne metody jednoczesnego genotypowania tysięcy polimorfizmów. Tak więc kierunkiem badań stało się znalezienie szablonu SNP, dzięki któremu można było zastosować metode zasugerowaną przez Meuwissen’a, Hayes’a i Goddard’a, która została określona jako selekcja genomiczna. Ta metoda była rozwijana przez różne instytucje na całym świecie. W roku 2007 w  Kanadzie pracowano nad matrycą złożoną z 1000 SNP, w Ausralii była to matryca złożona z 15000 SNP (15K chip). Nad tą metodą pracowano również w Europie (Holandia, Francja) oraz w Nowej Zelandii. Następnie, w 2007 amerykańskie ministerstwo rolnictwa we współpracy z firmami prywatnymi opracowało matrycę złożoną z 50000 SNP (50K chip). Genotypowanie rozpoczęło się na dobre, z początkiem roku 2008 stało się jasne, że  selekcja genomiczna jest skuteczna. W tym czasie pracowano nad dwoma matrycami 50K chip. Pierwszą z nich była Illumina, która rozwijana była w Północnej Ameryce. Opierała się na 50000 znaczników umiejscowionych rozmieszczonych równomiernie na genomie. Drugą metodą była matryca bazowała na 60 tysiącach SNP, nad którą pracowało holenderskie CRV we  współpracy z Uniwersytetem w Liege (Belgia), w tym przypadku markery skoncentrowane były w miejscach, które były odpowiedzialne za konkretne cechy. Do końca roku 2008 i na początku 2009 Nowa Zelandia, Holandia oraz Ameryka Północna były pierwszymi krajami, które stosowały wycenę genomiczną.

 

                    KONSORCJA

Elementem procesu tworzenia wyceny genomicznej jest porównywanie profili DNA (genotypów) odpowiednio dużej grupy byków wybranych wcześniej za pomocą wyceny na bazie córek (grupa odniesienia) w celu ustalenia wpływu tych 50 tysięcy znaczników na poszczególne cechy bydła. Ta wiedza jest następnie wykorzystywana do  oceny genetycznego potencjału młodego zwierzęcia na podstawie jego profilu DNA, wynikiem jest jego bezpośrednia wartość genomiczna (DGV – direct genomic value). Ta wartość w połączeniu ze średnią rodziców daje oficjalną wycenę genomiczną. Dwa ważne czynniki mają wpływ na ten proces: ilość SNP (10 000 nie był wystarczający dla pewnych cech, dopiero przy 50 000 proces ten dawał już wymierne wyniki) oraz liczba zwierząt w grupie odniesienia. Dla większości krajów zajmujących się projektem największym ograniczeniem była liczba zwierząt w grupie odniesienia, rozwiązaniem tego problemu była współpraca kilku krajów, dzięki czemu wyniki stały się bardziej dokładne. Stany Zjednoczone i  Kanada stworzyły w 2008 grupę północnoamerykańską, natomiast w 2009 roku powstała grupa EuroGenomics, zrzeszająca Francję, Niemcy, Holandię oraz państwa skandynawskie. W 2011 Włochy wraz z Wielką Brytanią przyłączyły się do grupy północnoamerykańskiej, następnie w 2012 Hiszpania dołączyła się do EuroGenetics. Obie te grupy mają ponad 20 tysięcy byków w swojej populacji grupy referencyjnej, jednak pewne badania wskazują, że wyraźna poprawa w dokładności badań nastąpi po osiągnięciu 80 tysięcy byków.

 

       INNE BADANIA

Sytuacją idealną byłoby umieszczenie w grupie referencyjnej również wszystkich krów. To wyeliminowałoby pewne odchylenia jakie istnieją w  grupie ściśle wyselekcjonowanej. Jednak, w krajach w których próbowano to zrobić wiarygodność badań spadła zamiast wzrosnąć. Było to spowodowane faktem, że pojedyncza krowa posiada mniej potomstwa, tak wiec mniej jest informacji, co skutkuje mniej dokładną wyceną niż ma to miejsce w przypadku buhajów. Stany Zjednoczone nalegały na pozostawienie krów w badaniu modyfikując system ich wyceniania w celu poprawy ich wycen. Jak dotąd Australia jest jedynym krajem, który również korzysta z tej metody. Jedną z metod jest użycie matryc o mniejszej gęstości (obecnie jest to 6K, jednak zapowiedziano użycie 12K), dzięki czemu badanie krów odbywa się niższym kosztem (35-50 dolarów zamiast 80-120 w  przypadku matryc 50K), co ma dodatkowo zmotywować do badania większej ilości zwierząt. Aby usprawnić ten proces stworzono oprogramowanie komputerowe dzięki któremu można było wprowadzać dane z matryc 6K w  podobny sposób jak 50K bez znaczącej utraty dokładności. Docelowo, ten koszt miałby być obniżony do takiego poziomu, że wszystkie krowy mogłyby być uwzględnione w grupie referencyjnej (możliwe, że będzie to elementem rejestracji zwierzęcia). Inne badania zajmują się pracą nad znacznie bardziej zagęszczonymi matrycami (770K). Wiązano z tym nadzieję na dokładniejsze wyniki, oraz na możliwość stosowania tej metody dla różnych ras, jednak, jak dotąd nie osiągnięto zadowalających wyników. W 2011 roku odkryto inne zastosowania genomiki aniżeli wycena genomiczna. Amerykańscy naukowcy zidentyfikowali śmiertelne geny, nazwano je śmiercionośnymi haplotypami (haplotyp to mały odcinek DNA, zawierający grupę genów przekazywanych w niezmiennym stanie następnym pokoleniom). Trzy śmiercionośne haplotypy jakie wykryto w rasie Holstein mają w  3%-3,2% negatywny wpływ na zapłodnienia jednak przeciwdziałanie kojarzeniom rodziców-nosicieli pozwala na unikniecie tej straty.

Przy obecnej, 70% skuteczności wyceny genomicznej wyniki mogą być czasem niezadowalanjące, jednak z pewnością metoda ta umozliwi znalezienie buhajów wybitnych, które zapewnią im długoterminowy sukces. Nie ma innej dziedziny, w  której genomika odgrywałaby tak dużą rolę. Przez wiele lat większośc byków spędzała pierwsze 5 lat życia w  stadninie dla byków w oczekiwaniu na wyniki selekcji na podstawie córek. Od teraz większość byków może aktywnie wykorzystać całą swoją karierę.