ГЕНЕТИКА, 2015, том 51, № 5, с. 600-612
ОБЗОРНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СТАТЬИ
УДК 575.174.015.3+636.082
МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКИЕ МАРКЕРЫ ЭКОНОМИЧЕСКИ ВАЖНЫХ ПРИЗНАКОВ У МОЛОЧНОГО СКОТА
© 2015 г. Н. С. Юдин1, 2, 3, М. И. Воевода1, 2, 3
Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск 630090
e-mail: yudin@bionet.nsc.ru 2Научно-исследовательский институт терапии и профилактической медицины Сибирского отделения Российской академии медицинских наук, Новосибирск 630089 3Новосибирский государственный университет, кафедра физиологии и кафедра фундаментальной медицины, Новосибирск 630090 Поступила в редакцию 25.10.2014 г.
Эффективность селекции по сложным количественным признакам, имеющим экономическое значение в молочном скотоводстве, зависит от идентификации генов, контролирующих эти признаки, а также полиморфных вариантов ДНК в этих генах, непосредственно влияющих на фенотип. В обзоре рассмотрены примеры нуклеотидных замен в кодирующих частях генов и некодирующих районах ДНК, ассоциированных с удоем, количеством молочного жира и белка, процентным содержанием жира и белка в молоке, биохимическим составом молока и другими признаками молочной продуктивности. Наряду с данными зарубежных авторов, полученными главным образом на животных голштинской породы, большое внимание в обзоре уделено отечественным исследованиям на российских породах крупного рогатого скота. Особое внимание уделено полиморфизму ДНК в генах транскрипционных факторов, которые потенциально могут влиять на большое число признаков. Результаты анализа ассоциаций собраны в таблицу, что позволяет наглядно оценить прогресс исследований в этой области за последние годы. По-видимому, большинство SNP, для которых в настоящее время описана ассоциация с признаками, фактически находятся в неравновесии по сцеплению с еще неизвестными мутациями, непосредственно влияющими на признак. Для проведения эффективной селекции с помощью маркеров и геномной селекции необходима идентификация функционально значимых мутаций ДНК и других генетических факторов (эпимутации, полиморфизм числа копий сегментов ДНК).
DOI: 10.7868/S0016675815050082
Большинство экономически важных признаков молочного скота являются количественными и формируют непрерывный спектр значений, а также имеют сложную природу (зависят как от генотипа, так и от влияния внешней среды). Считается, что они находятся под контролем множества генов или локусов количественных признаков (Quantitative Trait Loci, QTL), разбросанных по всему геному [1, 2]. Индивидуумы, характеризующиеся повышенной продуктивностью, имеют тенденцию к наличию в QTL большего числа предпочтительных аллелей, чем в среднем по популяции. При отборе таких особей в качестве родительских пар можно ожидать получение потомков, имеющих более высокую частоту нужных аллелей и, как следствие, более высокую продуктивность по сравнению с родителями.
Однако при отборе особей по внешним признакам (фенотипу) точность племенной оценки животных-производителей невелика. С развитием молекулярной генетики стала возможным идентификация генов, отвечающих за хозяйственно-полезные признаки, и проведение селекции по ним
(Marker Assisted Selection, MAS) [3]. Оценка животных по генетическим маркерам, связанным с количественными характеристиками, особенно важна для признаков, которые проявляются с возрастом или только у животных одного пола (продуктивность, плодовитость).
Геномная селекция, по сути, является формой MAS-селекции, при которой используется информация о генетическом разнообразии всего генома. С этой целью производится генотипирова-ние особи по десяткам тысяч полиморфных генетических маркеров, равномерно покрывающих все хромосомы. В молочном скотоводстве первый этап геномной оценки быков-производителей состоит в создании калибровочной популяции, которая позволяет проанализировать связь между генотипами и признаками [3—5]. Как правило, это выборка генотипированных быков данной породы, имеющих оценки по потомству. Затем устанавливается статистическая зависимость между результатами генотипирования и величиной признаков у потомства. После того, как эти геномные племенные оценки установлены, их
можно использовать для предсказания племенных оценок у молодых бычков, исходя только из результатов их генотипирования.
Таким образом, быстрое улучшение сложных количественных признаков, имеющих экономическое значение в молочном скотоводстве, зависит от идентификации генов, контролирующих эти признаки, а также полиморфных вариантов ДНК в этих генах, непосредственно влияющих на фенотипическое проявление признаков. В настоящее время известно более чем 11543 QTL, представляющих более 481 признак крупного рогатого скота (КРС) [6]. На протяжении многих лет усилия исследователей направлены на поиск генов-кандидатов, локализованных вблизи QTL для экономически важных признаков или оказывающих физиологические эффекты на эти признаки, а также нуклео-тидных замен в этих генах, которые вносят вклад в фенотипические различия. Когда ассоциация между полиморфизмом ДНК и экономически важным признаком надежно установлена, такой полиморфизм может быть включен в программы MAS-селекции. Использование такого маркера может существенно повысить ответ на селекцию. Однако эффективность MAS-селекции будет зависеть от идентификации нуклеотидной замены, непосредственно влияющей на признак (Quantitative Trait Nucleotide, QTN) [7]. Поскольку число идентифицированных QTL в настоящее время очень велико, изучена только небольшая часть потенциальных генов-кандидатов, что затрудняет проведение MAS-селекции.
В подавляющем числе случаев ассоциация с экономически важными признаками была показана для однонуклеотидных замен в генах-кандидатах (Single Nucleotide Polymorphism, SNP). У молочного скота также описаны ассоциации с экономически важными признаками инсерций, делеций и дупликаций размером несколько нук-леотидов [8, 9], а также крупных (более 1000 пн) инсерций и делеций, которые относятся к классу полиморфизма по числу копий сегментов ДНК (Copy Number Variation, CNV) [10-12]. Полная информация об SNP и других полиморфных ДНК-маркерах в геноме КРС содержится в базе данных dbSNP [13] и геномном браузере UCSC [14]. В рамках проекта "1000 геномов быков" было проведено полногеномное секвенирование 234 быков [15], что дало обширную информацию о полиморфизме ДНК КРС. На 20.10.2014 количество SNP КРС в базе данных dbSNP (73439640) превосходило количество SNP мыши (71349488) и уступало только количеству SNP человека (122786966).
В обзоре обобщены сведения об ассоциации полиморфных вариантов ДНК с экономически важными признаками у молочного скота, полученные за последние годы. Основные работы в
этой области ранее уже были систематизированы в ряде обзоров [5, 16—21]. Данный обзор не претендует на исчерпывающую полноту, а содержит примеры характерных эффектов 8МР в зависимости от их функциональной роли в геноме.
ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ РОЛЬ SNP
И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ЭКОНОМИЧЕСКИ ВАЖНЫЕ ПРИЗНАКИ
Гены-кандидаты, как правило, отбирают для исследования на основании их потенциальной способности влиять на интересующий фенотип. Критерии отбора включают их возможное влияние на физиологические процессы, место в метаболических путях и локализацию вблизи уже описанных QTL. В обзоре рассматриваются в основном признаки молочной продуктивности, такие как удой, количество молочного жира и белка, а также среднее процентное содержание жира и белка в молоке. Как правило, эти показатели вычисляют за 305 дней лактации. Исследование большого числа генов-кандидатов позволило идентифицировать множество полиморфных вариантов ДНК, ассоциированных с этими признаками, главным образом, у животных наиболее распространенной в мире голштинской породы (таблица). Эти маркеры распределены по всему геному и некоторые из них находятся в некодиру-ющих областях генов или даже между генами. Объектами большинства исследований были эк-зонные области генов, однако накапливается все больше данных, что вариабельность ДНК в неко-дирующих областях генов также может влиять на фенотипическое проявление признаков продуктивности.
Исследование протеома молока выявило 197 генов, которые кодируют белки молока коровы [22]. Биоинформатический анализ нуклеотидных последовательностей библиотек EST из ткани молочной железы коровы показал, что в общей сложности 6469 генов (четвертая часть всех генов в геноме!) экспрессируются в ткани молочной железы в определенный период онтогенеза (девственность, беременность, лактация, инволюция, мастит) [23]. Сопоставление этого списка генов с данными по 238 QTL для молочной продуктивности показало, что в среднем каждый такой QTL содержит от 13.9 до 17.1 генов, которые экспрессируются в период лактации [24]. Анализ тран-скриптома молочной железы мыши показал, что примерно третья часть транскриптома (4832 гена из 12488) изменяет свою экспрессию в течение лактационного цикла [25]. Таким образом, не вызывает сомнения, что признаки молочной продуктивности находятся под контролем нескольких сот генов.
Связь полиморфных вариантов ДНК с признаками молочной продуктивности у крупного рогатого скота
Название гена (символ) Полиморфизм ДНК Влияние на признак Ссылка
Содержащий анкириновый повтор и домен-супрессор цитокиновой сигнализации белок 3 (АБ) Микросателлитный маркер ШЯА111 Ассоциирован с устойчивостью к заболеванию туберкулезом [64]
Белок-супрессор рака молочной железы 1 (БЯСА1) c.46126G>T Ассоциирован с числом соматических клеток в молоке [59]
Казеин а£1 (СБЫШ) g.88307280A>G (Glu>Gly) (ге43703010) Ассоциирован с содержанием казеина аS1 в молоке [94]
Казеин бета (СБШ) g.4388A>C (Ш67Рто) (гв43703011) (экзон 7) Аллель А2 отличается от аллеля А1 заменой g.4388A>C относительно референсной последовательности (М55158). Молоко от коров с аллелем А2 имело повышенное время коагуляции при воздействии химозина и пониженную прочность сгустка, чем молоко от коров с аллелем А1 [95]
Казеин каппа (СБШ) g.88532296C>T (ТЬг136Пе) (ге43703015), g.88532332A>C (Азр148А1а) (ге43703016) Варианты А и В отличаются двумя аминоки
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.