Czy genomika ma szanse w krajowej hodowli drobiu?

Czy genomika ma szanse w krajowej hodowli drobiu?

OID (305) 2/2017
Czy genomika ma szanse
w krajowej hodowli drobiu?
Na całym świecie, drób jest dla ludzi tanim
źródłem zwierzęcego białka, którego wartość
ocenia się w miliardach USD. Wg FAO (2016),
w 2013 r. ubito 61 mld mięsnych kurcząt (brojlerów) i spożyto oraz przeznaczono do wylęgu
1,3 bln jaj, tj. 70 mln t.
Drobiarski sektor poświęcił wiele wysiłków na
zwiększenie produkcyjności i dobrostanu ptaków. W osiągnięciu tych celów, kluczową rolę
odgrywają genetyczne i genomowe badania,
zmierzające do poznania mechanizmów dziedziczenia ważnych gospodarczo cech i wykorzystania ich w hodowlanych programach,
ukierunkowanych na poprawę wydajności
i zdrowia drobiu.
Genom kury
Przełomowym wydarzeniem w hodowli drobiu było zsekwencjonowanie 12 lat temu genomu kury, umożliwiając opracowanie szeregu
narzędzi do analizy ekspresji genów i genetycznej zmienności całego genomu, które wraz
z sekwencjonowaniem DNA, wykorzystały
koncerny hodowli drobiu o światowym zasięgu.
Genom jest zespołem genów zawartych w pojedynczym (haploidalnym) zespole chromosomów, znajdującym się w jądrze komórkowym.
Diploidalne organizmy posiadają w jądrach
swoich somatycznych komórek dwa genomy,
pochodzące z żeńskiej i męskiej gamety, a organizmy poliploidalne mogą posiadać do kilkuset
genomów. Gamety diploidów zawierają po jednym genomie, a gamety poliploidów - połowę
genomów zawartych w komórkach somatycznych organizmu rodzicielskiego.
Wg Sławińskiej i Siwek (2010), kura (Gallus gallus) jest jednym z 9600 żyjących na świecie gatunków ptaków, stanowiących ogniwo ewolucyjne między ssakami, a mniej rozwiniętymi
10
kręgowcami (gadami). Wyniki analizy sekwencji DNA kury i człowieka wskazują, że oba genomy rozdzieliły się w procesie ewolucji ok. 310
milionów lat temu. Domową kurę (Gallus gallus domesticus) udomowiono w Azji ok. 8 tys.
lat p.n.e. i wg Darwina oraz wyników badań mitochondrialnego DNA, jej bezpośrednim przodkiem był czerwony kur dżungli. Współczesne
nieśne i mięsne kury, są dla wyznawców wszystkich religii i filozofii, źródłem wysokobiałkowych produktów pochodzenia zwierzęcego.
Współczesna cywilizacja zawdzięcza swój rozwój udomowieniu zwierząt i roślin. Międzynarodowe Konsorcjum Sekwencjonowania Genomu Kury, pracujące pod kierunkiem profesora
L. Anderssona (Uniwersytet w Uppsali, Szwecja),
dokonało przełomu w badaniach genetycznych
domowych zwierząt, przedstawiając genomiczną ewolucję domowej kury (Nature, 2004). Dzięki objęciu badaniami 4 linii nieśnych kur i 4 mięsnych, poznano genetyczne zmiany zachodzące
w procesie udomowienia i genetycznego doskonalenia kur, różnych użytkowych typów (Burt,
2016). Wyjaśniono, jak w wyniku ukierunkowanej selekcji, dziką kurę przekształcono w ptaka,
znoszącego >300 jaj/rok lub kurczaka, osiągającego w 42 tygodniu życia 2,5 kg masy ciała, przy
wykorzystaniu 1,6-1,7 kg paszy/kg przyrostu.
W sekwencjonowaniu genomu kury (2004),
wykorzystano pojedynczy, żeński genom kury
bankiwa, dzikiego przodka współczesnych
kur. Badania pochłonęły miliony USD. Po raz
pierwszy w całym genomie oceniono genetyczną różnorodność populacji oraz między populacjami. Realizując program hodowli zwierząt zmierzający do poprawy ich genetycznej
puli, dochodzi do tzw. "selekcyjnego wymiatania" (selective sweep) genów, szczególnie gdy
w doskonalonej populacji, utrwala się korzyst-
OID (305) 2/2017
na, genowa mutacja. U kur stwierdzono takie
selekcyjne wymiecenie genu TSHR - receptora
tyreotropiny, który u kręgowców odgrywa kluczową rolę w regulacji metabolizmu oraz synchronizacji rozrodu pod wpływem zmieniającej się długości świetlnego dnia. U dzikich
zwierząt, rozród jest ściśle kontrolowany, by
nie doszło do rozmnożenia się danego gatunku, w okresach/porach niesprzyjających. Takie
behawioralne zachowanie, usunięto u kur, znoszących obecnie jaja przez cały rok. Wg Anderson (2004), każda udomowiona kura jest nosicielem zmutowanej formy białka TSHR, co
sugeruje, że genetyczna zmiana była istotnym
krokiem w udomowieniu tego gatunku ptaków.
W wyniku selekcji kur, usunięto im związany
z otyłością ludzi gen TBC1D1, którego białko
wpływa na przyswajanie glukozy w komórkach
mięśniowych. Wg Rubiun (2004), wszystkie
kurczęta brojlery posiadają zmutowaną formę
tego genu. Naukowe wyniki, podkreślają znaczenie domowej kury w biomedycznych badaniach, jako modelowego organizmu ujawniającego geny związane ze zmianami w cechach
fenotypowych (Andersson, 2004).
Wg Sławińskiej i Siwek (2010), w genomie kury
jest 38 autosomalnych chromosomów oraz 2
chromosomy płci (W i Z), z tym że kura jest heterogametą (ZW), a kogut - homogametą (ZZ),
a także około 1,05 miliardów nukleotydów.
Wielkość chromosomów ptaków jest bardzo
zmienna i dlatego większe, o długości 3-6 nm
- nazywane są makrochromosomami (MC),
a mniejsze, o długości od 0,5 do 2,5 nm - mikrochromosomami (MIC). Te ostatnie utrudniają prawidłową ocenę kariotypu, gdyż nie
można ich zróżnicować konwencjonalnymi
metodami cytogenetycznego mapowania, takimi jak prążkowanie G.
W literaturze opisanych jest kilka metod klasyfikacji kariotypu kury, czyli charakterystycznego dla niej zestawu chromosomów, występującego w każdej jądrzastej komórce organizmu.
Badanie cytogenetyczne kariotypu, polega na
12
określeniu liczby i struktury chromosomów
danego osobnika. Wg Międzynarodowego Systemu Standaryzacji Kariotypu Ptaków, makrosomy obejmują 8 największych, autosomalnych
(GGA1-8) chromosomów i chromosomy płci
(GGAZ i GGAW), a pozostałe chromosomy
(GGA9-38) zaliczane są do mikrochromosomów. W ostatnich latach opracowano metodę
rozróżniania wszystkich mikrochromosomów
kury na podstawie ich fluorescencyjnego sortowania, mikrodysekcji i detekcji. Początkowo
genom kury sekwencjonowano klasyczną, powolną i drogą metodą DNA Sanger, a obecnie
wykorzystuje się komputerowe programy do
szybkich, ultrakrótkich odczytów i genetyczne mapy (Burt i White, 2007).
Genetyczne i fizyczne mapy
Sprzężeniowa, genetyczna mapa genomu kury,
opracowana na podstawie zachodzących rekombinacji między mikrosatelitarnymi markerami, w 3 referencyjnych populacjach, ma
wielkość ok. 3800 cM (centymorganów), a molekularne techniki umożliwiły zwiększenie jej
rozdzielczości. Taka mapa o wielkości 3228
cM, jest znacznie mniejsza od mapy poprzedniej generacji i wskazuje, że poziom rekombinacji, niezależnie od płci, różni się między populacjami (Sławińska i Siwek, 2010).
Jedną z pierwszych metod fizycznego mapowania genomu było mapowanie cytogenetyczne,
oparte na klasycznych technikach prążkowania
lub molekularnej cytogenetyce. W przypadku
genomu kury, liczącego 38 chromosomów (n),
większość mikrochromosomów, trudno prawidłowo zidentyfikować.
Sekwencjonowanie genomu kury
Milowym krokiem w genomice kury, było sekwencjonowanie jej całego genomu. Przyjęta
strategia objęła sekwencjonowanie i złożenie
genetycznego materiału kury, sklonowanego ze
sztucznych, bakteryjnych chromosomów (BAC
- Bacterial Artificial Chromosomes), fosmidów
OID (305) 2/2017
i plazmidów. Dzięki stosunkowo małym rozmiarom genomu kury oraz rzadkim występowaniu w nim powtarzalnych elementów, uzyskano wysokiej jakości sekwencję, w której
każdy nukleotyd występował średnio 6,6 razy.
W bazach danych Ensembl i NCBI - jest druga wersja sekwencji, obejmującą autosomalne
chromosomy oraz chromosomy płci, DNA mitochondrialne i dodatkowe, sprzężeniowe grupy. Porównując nukleotydowe sekwencje genomu czerwonego kura dżungli (Gallus gallus)
z fragmentami sekwencji współczesnych kur
linii nieśnych, mięsnych oraz ozdobnych ras,
scharakteryzowano genom kury. Rozwijająca się wiedza, jest podstawowym narzędziem
identyfikacji genetycznego podłoża ważnych
gospodarczo cech ilościowych, o ciągłym rozkładzie (liczba jaj/kurę, tempo przyrostów itp.),
w odróżnieniu od cech jakościowych - o nieciągłym rozkładzie (kształt grzebienia, barwa
okrywy piór, reakcje odpornościowe).
Genetyczna determinacja cech polega na jej
poligenicznym kodowaniu przez wiele genów
o słabym efekcie, zlokalizowanych w chromosomalnych regionach, określanych jako loci
ilościowych cech (QTL - Quantitative Trait
Loci). Pierwszym krokiem do identyfikacji genetycznego podłoża danej ilościowej cechy, jest
zlokalizowanie związanego z nią QTL.
Mapowanie, czyli detekcja QTL, polega na wykorzystaniu genetycznych map, a następnie identyfikacji powiązań między poziomem analizowanej
fenotypowej cechy, a dziedziczeniem markerów
polimorficznych DNA. Istotne statystycznie zależności między częścią genotypową a fenotypową,
mogą być dowodem na istnienie loci cechy ilościowej w pobliżu sprzężonego z nią jednego lub wielu
genetycznych markerów. Końcowym efektem badań nad mapowaniem QTL, jest identyfikacja genetycznych markerów, zlokalizowanych w pobliżu
QTL, by stwierdzić czy dziedziczą się razem. Nazywane jest to sprzężeniową nierównowagą (LD Linkage Disequilibrium) i takie markery można
wykorzystać w programach hodowlanych.
14
Oznaczanie genu w genomie kury
Duże znaczenie ma możliwość poznania informacji zawartych w nukleotydowych sekwencjach oraz w regulatorowych i transkrypcyjnych regionach, a także poznanie wzajemnych
zależności między genotypem a fenotypem.
Sekwencja regulatorowa genu jest fragmentem
DNA, który reguluje ekspresję genu. Przyłączają się do niego białka regulujące transkrypcję, np. czynniki transkrypcyjne i remodelatory, oraz polimeraza kwasu rybonukleinowego
(RNA), przenoszącego informację genetyczną
o sekwencji poszczególnych polipeptydów, z genów - do aparatu translacyjnego. Kombinacja
tych sekwencji z czynnikami białkowymi, dostępnych w jądrze komórkowym i ich aktywnością sprawia, że poziom ekspresji genu jest
regulowany w zależności od typu, stanu metabolicznego komórki i bodźców zewnętrznych.
Porównawcza genomika obejmuje ewolucyjny
rozwój modelowych organizmów, ułatwiając
interpretację danych jednego i pokrewnych gatunków. Na dokładnie poznanych sekwencjach
każdego genomu, winny się skupiać specyficzne informacje o gatunku, z uwzględnieniem
zmian w sekwencjach kodujących i niekodujących genów.
Do niedawna opis i transkrypcję (proces przepisywania genetycznej informacji zawartej
w DNA - na cząsteczkę RNA) genów w genomie kury, przeprowadzano głównie na podstawie porównań z innymi, dobrze znanymi genomami, np. u ludzi i myszy. Porównanie u ludzi
i myszy, liczby znakowanych transkryptów
(odcinków RNA powstałych w wyniku transkrypcji odcinka DNA) wskazuje, że u kury nie
są one złożone. Nadal brak informacji o elementach regulacyjnych genomów drobiu i innych zwierząt gospodarskich oraz o lokalizacji
regulatorowych sekwencji, co jest główną przeszkodą w określaniu zmienności genetycznej,
będącej podstawą zmienności fenotypowej złożonych cech, zależnych od poziomu ekspresji
genów. Problem ten rozwiązują projekty ba-
OID (305) 2/2017
dawcze, realizowane przez "Międzynarodowe
Konsorcjum Oznaczania Genów u Zwierząt" FAANG (2015). Przewiduje się określenie w genomie „funkcjonalnych elementów", w tym
genów kodujących i niekodujących oraz ich regulatorowych sekwencji.
16
Zmienności genomu w populacjach kur
Opis genomu drobiu jest dopiero w początkowym stadium badań i dotyczy genetycznej
zmienności funkcjonalnych elementów, wykorzystywanych w hodowlanych programach,
zmierzających do zmiany specyficznych fenotypów. W badaniach nad genomem kury, zdefiniowano i skatalogowano miliony genetycznych
wariantów (Gheyas I in., 2015) oraz uporządkowano 21 milionów SNP u kur. Gheyas i in.,
(2015) zidentyfikowali potencjalne, kandydujące geny i przyczynowe warianty dla różnych cech
kurcząt brojlerów i nieśnych kur. „Kandydujący”
gen jest sekwencją/fragmentem DNA w chromosomie, prawdopodobną przyczyną cechy i jest
kandydatem, ponieważ znajduje się w konkretnym regionie chromosomu, który może brać
udział w determinowaniu danej cechy, która zależy od kodowanego przez ten gen białka.
regionów kodujących), jak również na temat
nowych wariantów i jest szeroko stosowaną
przez przemysł farmaceutyczny w badaniach
genetycznych chorób, ewolucyjnej i populacyjnej biologii, a dodatkowo, wspomaga genetyczną (kliniczną) diagnostykę.
Metody określania ekspresji genów mają istotne znaczenie w biologicznych badaniach, takich jak fizjologia rozwoju zwierząt, interakcje
między gospodarzem a patogenem itd. (Gheyas i Burt, 2013). Genetyczna kontrola ekspresji
genów, stanowi obecnie intensywny obszar badań, powiązanych w genomie funkcjonalnych
elementów takich jak kodujących i niekodujących genów i sekwencji regulatorowych, kontrolujących ich ekspresję.
Genotypujące narzędzia można stosować
w różnych gęstościach, zależnie od aplikacji (Gheyas i Burt, 2013). Wg Kranis i in.
(2013), wiele firm drobiarskich (Aviagen, Hy-Line i Lohmann) współpracowały z Instytutem w Roslin (Szkocja) nad opracowaniem dla
kur tablicy genotypowania o wysokiej gęstości
(HD), dostępnej teraz za pośrednictwem firmy
Affymetrix. Matryca HD od 2013 r. jest szeroko wykorzystywana.
Narzędzia i źródła
z dziedziny genomiki drobiu
Międzynarodowe bazy danych i przeglądarki genomu, zapewniają szybki dostęp do bogatych i cennych informacji o genomach drobiu
(Burt i White, 2007). Można je wykorzystywać do przewidywania wpływu różnych sekwencji w badaniach ekspresji resekwencjonowanego genomu lub genów oraz do szybkiego
i dokładnego oznaczenia ekspresji genu (Gheyas i Burt, 2013). Resekwencjonowanie genomu
polega na sekwencjonowaniu krótkich fragmentów materiału genetycznego i stosuje się
je by uzyskać informacje o genomowych wariantach całego genomu. Technika ta pozwala
pozyskać informacje nt. zgromadzonych w bazach danych wariantów (dotyczących głównie
Perspektywy genomiki drobiu
Genomikę w hodowli drobiu stosować się będzie głównie w celu zwiększenia dokładności,
szybkość poprawy objętych selekcją różnych
cech, determinowanych pojedynczymi genami
(dziedzicznie wg praw Mendla) lub złożonych
cech - warunkowanych przez wiele genów.
Obejmie także genetyczne zmiany regulatorowych sekwencji, kontrolujących ekspresję
genu (Li i in.2015; 2016). Genetycy oraz hodowcy zwierząt, zajmujący się ilościowymi cechami, opracowali statystyczne modele, którymi
można prognozować oczekiwany poziom użytkowych cech zwierzęcia (Hill, 2014). Wg Meuwissen i in. (2001), dokładność tych prognoz
zwiększono przy pomocy polimorfizmu pojedynczych nukleotydów (SNP) dla całych ge-
OID (305) 2/2017
nomów, w szeroko pojętej ich selekcji (GWS).
Dalsze doskonalenie może nastąpić przez wykorzystanie danych o sekwencji genomu (Daetwyler i in., 2014). Selekcja na podstawie całych genomów (GWS), okaże się korzystna
w przypadku takich cech jak wykorzystanie
paszy, nieśność, odporność na choroby i cechy dobrostanu oraz cech związanych z płcią,
takich jak płodność i jakość mięsa, a pod koniec życia - z przeżywalnością i nieśnością kur.
Perspektywy stosowania genomiki w światowej hodowli drobiu są dobre. Sekwencjonowanie genomu kury prawdopodobnie zostało już
zakończone (Burt i in., 2015), zbadano całe zespoły genomu populacji i osobników Meuwissen i in., 2001), a informacje o genotypach i ich
sekwencjach są już wykorzystywane w hodowlanej praktyce (Brøndum i in, 2014).
Nasuwa się pytanie czy polską hodowlę drobiu, dotyczącą, wg KRD (2016) do 12 stad zarodowych/rodów kur nieśnych i po 3 kaczek
i gęsi, stać na wdrożenie nowoczesnych metod
genomiki. Teoretycznie tak. Wymagałoby to
18
jednak finansowego wsparcia badawczych jednostek przez fermy hodowlane, których zasoby finansowe są raczej ograniczone, a uzyskany dochód z większego hodowlanego postępu,
nie pokryłby wydatków. Jesteśmy zatem skazani na import sprawdzonych stad rodzicielskich z drobiarskich, międzynarodowych firm
hodowlanych, o światowej renomie. Produkowane przez te konsorcja, wysokoprodukcyjne,
towarowe mieszańce różnych gatunków i typów użytkowych drobiu, sprawdzają się lepiej
w warunkach przyzagrodowego czy wybiegowego chowu - od rodzimych, krajowych ras
(zachowawczych), których zgodnie z ustalonymi zasadami, nie można lub nie powinno genetycznie doskonalić.
Prof. dr hab. Stanisław Wężyk
Dr inż. Ryszard Gilewski
AVICONS