Feinkartierung am Chromosom 14 des Rindes und Charakterisierung diverser Bos taurus und Bos indicus Rassen anhand eines QTL für Milchleistungsmerkmale

Abstract

Anhand einer Zusammenstellung ausgewählter Literatur wird ein Überblick über Entwicklung und Methode der Genomanalyse gegeben. Hierbei kann Information über die Struktur und Plastizität des Genoms ebenso wie seine Entwicklung als ein Ausgangspunkt gewertet werden und molekulare Marker als Hilfsmittel und Wegmarkierungen, um in der Komplexität des Genoms eine Orientierung zu gewährleisten. Literatur über positionale Klonierung gibt einen Überblick über die methodische Verfahrensweise der Genomanalyse bis auf molekulare Ebene. Der Abschnitt QTL-Analyse stellt dar, wie Auswertung und Erkenntnisse der Genomanalyse in einen ökonomischen Zusammenhang gebracht werden, ohne den eine sinnvolle Zuchtauslese bei landwirtschaftlichen Nutztieren nicht möglich erscheint. Abschließend beleuchtet eine Auswertung von Veröffentlichungen über markergestützte Selektion und markergestützte Introgression Möglichkeiten der Anwendung von Ergebnissen aus der Genomanalyse in der Nutztierzucht.Gegenstand der Untersuchung sind das Holstein- Fleckvieh- und Dt. Angus Rinder-Familienmaterial der Arbeitsgemeinschaft Deutscher Rinderzüchter (ADR), Bonn, und des Instituts für Tierzucht&Haustiergenetik, JLU Giessen, sowie 3442 DNA-Proben von 42 internationalen Rinderrassen. Die Ergebnisse beinhalten die Genotypisierung und genetische Charakterisierung von 37 Bos taurus und 4 Bos indicus Rinderrassen, sowie einer Bos indicus/taurus Hybridrasse, anhand des K232A Polymorphismus im DGAT1-Gen. Diese Untersuchungen erfolgten unter besonderer Berücksichtigung von Rassen aus dem Domestikationsgebiet von Bos taurus, sowie DNA unterschiedlicher Vererberlinien der DNA-Genreserve "Altes Deutsches Schwarzbuntes Niederungsrind", im Hinblick auf Domestikation und Rassendifferenzierung beim Milch- und Fleischrind. Darüber hinaus beinhalten die Ergebnisse:- Zur Komplettsequenzierung weiterbearbeitbare und durch Ansequenzierung und in silico Kartierung definierte BAC-Klone der proximalen Region von BTA14 aus zwei unterschiedlichen BAC-Banken.- Physische Kartierung des Gens CYP11B1 und eines CYHR1-Paralogons auf BTA14 durch Fluoreszenz in situ Hybridisierung. - Genetische Kartierung der Gene DGAT1, CYP11B1 und GML, sowie der Mikrosatelliten ILSTS039 und CSSM066 im ADR-Familienmaterial. - Etablierung eines Verfahrens der Differenzierung zwischen dem kodierenden Gen CYP11B1 und zwei CYP11B1-Pseudogenen (CYP11B1P1, CYP11B1P2). - Genotypisierungen des ADR-Familienmaterials (Dt. Holstein&Dt. Fleckvieh) mit den Polymorphismen A30V im CYP11B1-Gen (2Allele) und K232A im DGAT1-Gen (2 Allele), sowie der Auswertung der Daten durch lineare Regression. - Genotypisierungen des ADR-Familienmaterials (Dt. Holstein&Dt. Fleckvieh) mit SNP GML+405 und GML+573, unter Einbeziehung vorhandener Genotypisierungen mit dem SSCP-Marker KIEL_E8 und den Mikrosatellitenmarkern ILSTS039 (2 Allele), CSSM066 (3 Allele) und der Auswertung aller Genotypisierungsdaten mit Hilfe eines "stepwise" Regressionsverfahrens. - Lokalisierung und Charakterisierung weiterer Kandidatengene (PTK2, CYC1).Im ersten Teil der Diskussion wird im Wesentlichen der bereits publizierte Teil der Ergebnisse behandelt. Hierbei wird auf der Grundlage der Untersuchungsergebnisse des K232A Polymorphismus im DGAT1-Gen in einer Vielzahl internationaler Rinderrassen in einem entwicklungsgeschichtlichen Zusammenhang die Entstehung und Verbreitung in der Spezies Bos im Allgemeinen und in der Holstein Rinderrasse im Speziellen diskutiert. Der zuchttechnische Wert dieses Polymorphismus wird beleuchtet die Ergebnisse der Genotypisierung des A30V Polymorphismus im CYP11B1-Gen mit seinen Auswertungen im Hinblick auf Milchproduktions-, Fruchtbarkeits-, Exterieur- und Nachhaltigkeitsparameter erörtert. Im Anschluss werden weitere Typisierungs- und Feinkartierungsergebnisse diskutiert. Während den Untersuchungen der genetischen Variation im centromerischen Bereich von BTA14 in Form einer Beteiligung des A30V Polymorphismus im CYP11B1-Gens an der gesamten QTL Wirkung noch eine alleinige lineare Abhängigkeit unterstellt war, so wurde im weiteren Verlauf der Untersuchungen klar, dass die, neben der durch den K232A Polymorphismus im DGAT1-Gen erklärbare, noch feststellbare Restvarianz einer komplexeren Dynamik unterworfen zu sein scheint. Im vertiefenden Teil der Diskussion wird die Vorgehensweise einer "stepwise Regression" unter Verwendung aller zur Verfügung stehenden Genotypisierungsinformation diskutiert. Hierbei wird darauf eingegangen, dass einige der Marker ihre komplette Informativität verlieren, sobald andere Marker in das Regressionsmodell aufgenommen und berücksichtigt werden. Da die diskutierten Ergebnisse der Arbeit die Restvarianz in der QTL-Region nicht komplett erklären können, wird abschließend die Möglichkeit der Existenz weiterer Kandidatengene im Bereich, durch Literaturrecherche gestützt, aufgezeigt. Based on a compilation of selected literature, an overview of development and methods of genome analysis is provided. In this way information on the structure and plasticity of the genome as well as its evolutionary development may be understood as a starting point and molecular markers as tools and signposts to ensure orientation in the complexity of the genome. Literature on positional cloning provides an overview of the methodological procedure of genome analysis onto the molecular level. The section on QTL analysis presents, how the analysis and findings of genome analysis are brought into an economic context, without which a meaningful breeding selection in farm animals does not seem possible. Finally, an evaluation of publications on marker-assisted selection and marker-assisted introgression is meant to shed light on possibilities of the application of genome analytical results in livestock breeding.Material of investigation are the bovine DNA-libraries of the Holstein, Fleckvieh and German Angus cattle granddaughter&family-designs of the Syndicate of German Cattle Breeders (ADR), Bonn, and the Institute of Animal Breeding&Genetics, Justus-Liebig University Giessen, together with 3442 unique DNA samples of 42 international cattle breeds. Results encompass the genotyping and genetic characterization of 37 Bos Taurus breeds, 4 Bos Indicus breeds and 1 hybrid breed of cattle on the basis of the K232A polymorphism in the DGAT1-gene. This research was carried out with special attention to the domestication region of Bos Taurus, and DNA of different progenitor lines from the DNA gene reserve "Old German Black Pied Lowland Cattle" of the Institute of Animal Breeding&Genetics, in view of domestication and breed differentiation in cattle of dairy and beef type. More over, results include: - BAC clones two different BAC libraries, prepared for complete sequencing and mapped by end-sequencing in silico mapping to the proximal region of BTA14.- Physical mapping of the gene CYP11B1 and a CYHR1 paralogon on BTA14 by fluorescence in situ hybridization. - Genetic mapping of the genes DGAT1, CYP11B1 and GML, and the microsatellites ILSTS039 and CSSM066 in the ADR family material, separately for German Holstein and German Fleckvieh cattle. - Establishment of a procedure for the differentiation between the coding CYP11B1 gene and two CYP11B1 pseudogenes (CYP11B1P1, CYP11B1P2) on the molecular level, for the benefit of reliable differential PCR amplification and genotyping. - Genotyping of the ADR Great-Granddaughter Design (German Holstein and German Fleckvieh) with the A30V polymorphism in the CYP11B1 gene (2 alleles) and the K232A polymorphism in the DGAT1 gene (2 alleles), followed by an analysis of the data by linear regression. - Genotyping of the ADR Great-Granddaughter Design (German Holstein and German Fleckvieh) with GML+405 and GML+573 SNPs, taking into account existing genotyping with SSCP marker KIEL_E8 and microsatellite markers ILSTS039 (2 alleles), CSSM066 (3 alleles), followed by an analysis of all genotyping data using a "stepwise" regression procedure. - Localization and characterization of further candidate genes (PTK2, CYC1). In the first part of the chapter quintessentially contents dealing with already published results are being discussed. Those are based on the findings of genetic variation by the K232A polymorphism in the DGAT1 gene, in a number of international cattle breeds. The evolutionary context, the emergence and spread of the polymorphism in the Bos species in general and in the Holstein cattle breed in particular is discussed. The breeding value of this polymorphism is illuminated. The discussion then moves on to the results of the genotyping of the A30V polymorphism in the CYP11B1 gene and the evaluation of implications on milk production, fertility, conformation and sustainability parameters. The discussion of published results is followed by a broader and deeper discussion of QTL fine mapping. While, during investigations of genetic variation in the centromeric region of BTA14 in form of a participation of the A30V polymorphism in the CYP11B1 gene, still a sole linear dependence was assumed, it was later realized, that the residual variance, in addition to the variation explained by the K232A polymorphism in the DGAT1 gene, the detectable residual variance was subject to a more complex setting. In the in-depth part of the discussion, the approach of a stepwise regression is discussed, taking all available genotypic information into account. The fact is discussed that some of the markers lose their entire information content when other markers are included into the regression model. Since the discussed results of this work fall short of completely explaining the residual variance in the QTL region, finally the possibility of the existence of further candidate genes in the area, in agreement with literature, is considered.