Czy genomika ma szanse w krajowej hodowli drobiu?

Transkrypt

1 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 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- 10

2 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 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 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 12

3 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. 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- 14

4 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. 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. 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 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. 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- 16

5 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 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 18