HOCHDURCHSATZ-SNP-TYPISIERUNG FÜR DIE GENOMISCHE SELEKTION BEIM RIND, ASSOZIATIONSSTUDIEN UND POPULATIONSGENETISCHE ANALYSEN DES RINDERGENOMS

Die genetische Veranlagung der meisten züchterisch interessanten Merkmale beim Rind beruht auf einer Vielzahl von Genen mit geringen Effekten. Mit Einzug der molekulargenetischen Forschung in die Tierzucht stellte sich daher die Frage, inwieweit leistungsbeeinflussende Gene identifiziert und zeitnah direkt zur Selektion verwendet werden können. Im vorwiegend der Grundlagenforschung zugeordneten FUGATO-plus GenoTrack-Projekt wurde der enorme Fortschritt in der Entwicklung von Single Nucleotide Polymorphismen (SNP) - Markern und die Verfügbarkeit effizienter Hochdurchsatzplattformen für Chip-basierte Genotypisierungen genutzt, um erstmals alle grundsätzlichen Aspekte eines genomischen Ansatzes an realen Tierpopulationen im Detail zu untersuchen.
Im Teilprojekt der Humboldt-Universität zu Berlin wurde im Rahmen der Qualitätskontrolle für die Daten aus der Hochdurchsatzgenotypisierung von mehr als 3000 Rindern mit dem BovineSNP50 Beadchip der Firma Illumina ein Verfahren zur schnellen Rekartierung der SNPs entwickelt, um die genaue Lage der Marker im Referenzgenom zu korrigieren. Für die Feinkartierung der genomischen Struktur in der Holstein-Friesen Rinderrasse wurden aus den SNP Daten Haplotypenblöcke rekonstruiert. Diese dienten als Grundlage für Assoziationsanalysen zwischen Haplotypen und Milchleistungsmerkmalen, die in Form von Zuchtwerten von Hochleistungsbullen vorlagen. Besonderes Augenmerk lag auf der Identifizierung von Genen mit Einfluss auf den Energiehaushalt des Milchrindes, dessen Regulation maßgeblich den Fettanteil in der Milch bestimmt. Mehr als einhundert bekannte Kandidatengene für den Fettansatz im Menschen dienten als Ausgangpunkt für die Untersuchung homologer Gene im Rind hinsichtlich potentieller Effekte auf die Milchfettmenge. Ein Drittel der konservierten Gene lag in genomischen Regionen, in denen SNPs einen signifikanten Effekt auf die Milchfettmenge zeigten. Unter diesen Genen befand sich das Gen, das den Brain Derived Neurotrophic Factor (BDNF) kodiert. Für den SNP mit der besten statistischen Absicherung in dem Genbereich konnte ein additiver Effekt nachgewiesen werden. Die Differenz zwischen den homozygoten Genotypenklassen betrug im Mittel über die ersten drei Laktationen mehr als 10 kg Milchfett. Detaillierte Untersuchungen von Allel-, Geno-, Haplo- und Diplotypeneffekten auf die Milchfettmenge zeigten, dass die phänotypische Varianz in der Population genetisch besser durch Diplotypen als durch die einzelnen SNP-Allele erklärt werden kann. Das Ergebnis unterstreicht die Bedeutung genomischer Strukturen für die Schätzung genomischer Effekte auf Phänotypen. Untersuchungen genomischer Effekte auf Milchleistungsmerkmale zu verschiedenen Laktationszeitpunkten haben nachgewiesen, dass sich Markereffekte auf die Fett- und Proteinmenge im Verlauf der Laktation erhöhen. Damit wird deutlich, dass sich Unterschiede in der Allelwirkung bei Tieren, die homozygot für das Minderheiten- bzw. das Hauptallel sind, zum Laktationsende verschärfen.
Unter der Hypothese, dass genomische Regionen mit überdurchschnittlichem Maß an Heterozygotie einen wichtigen Beitrag für die Fitness der Population leisten könnten, wurde die Haplotypenvielfalt in jedem Haplotypenblock genomweit quantifiziert. Dafür wurde ein Diversitätsmaß eingeführt, das ursprünglich dem Bereich der Ökologie entstammt. Circa 1,5% aller Haplotypenblöcke erfüllten die geforderten Kriterien an Regionen mit überdurchschnittlicher Haplotypendiversität. Eine Assoziationsanalyse zeigte für ca. 95% der Haplotypenblöcke mit erhöhter Heterozygotie signifikante Assoziationen mit Fitness-Phänotypen. Diese Funktionszusammenhänge von Genen und ihren kodierten Proteinen erlauben die Identifizierung von Netzwerken, in denen Gene gemeinsam einen polygenen Phänotyp determinieren. Die an der HU-Berlin entwickelten Methoden und durchgeführten Analysen leisten somit einen wichtigen Beitrag, verschiedenartige molekulare genetische Varianten zu identifizieren, die ein züchterisches Merkmal beeinflussen.