CC BY
232
УДК 636.32/.38.082.12 UDC 636.32/.38.082.12
ПЕРСПЕКТИВЫ PROSPECTS FOR THE USE OF
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЕНОМНЫХ GENOMIC TECHNOLOGIES IN
ТЕХНОЛОГИЙ В СЕЛЕКЦИИ SHEEP BREEDING (ANALYTICAL
ОВЕЦ (аналитический обзор)
М.И. Селионова, д.биол. н., проф., М.М. Айбазов, д. с.-х. н., проф., Т. В. Мамонтова, к.с.-х. н. ФГБНУ ВНИИОК (СНИИЖК)
В обзоре рассматриваются вопросы развития молекулярно-генетических методов и их использования в селекции овец. Показано, что разработка новых технологий полногеномного
сканирования с использованием биочипов, которые включают более 50 тысяч участков ДНК с однонуклеотидными заменами (SNP, Single Nucleotide Polymorphism), предоставляет возможность прогнозирования племенной ценности животного в раннем возрасте, практически сразу после рождения, с точностью до 90%. Приводятся наиболее изученные гены, влияющие на мясную продуктивность овец.
Прогнозируется, что применение полногеномной оценки в селекции овец может повысить темпы селекционного прогресса на 50% и позволит получить
значительный экономический эффект.
Ключевые слова: геномная селекция, сканирование,
REVIEW)
Selionova M.I., Dr. Biol. Sci., Prof. Aybazov M.M., Dr. Agr. Sci. Mamontova T.V., Cand. Agr. Sci. All-Russian Research Institute of sheep and goat breeding (SNIIZHK) In the review are considered the questions of the molecular and genetic mithods development and their use in sheep selection. It is shown that the development of new genome-scan technologies using biochips which include more than 50 thousand DNA areas with single nucleotide substitutions (SNP, Single Nucleotide Polymorphisms), provides the ability to predict the breeding value of the animal at an early age, almost immediately after birth, up to 90%. There are listed the most studied genes affecting meat productivity. It is predicted that the use of genome-wide evaluation in sheep breeding can increase the rate of breeding progress by 50% and will provide a significant economic effect.
ДНК-чипы, DNA-chips племенная value
Key words: genomic scanning,
breeding, breeding
ценность
Основой любой эффективной селекционной работы является раннее и точное определение селекционных признаков животного. Интенсивное развитие молекулярной генетики дало ученым возможность идентификацировать гены, напрямую или опосредованно
связанные с продуктивностью. Выявление предпочтительных, с точки зрения селекции, вариантов таких генов позволяет дополнительно к традиционному отбору животных осуществлять селекцию непосредственно на уровне ДНК, проводить так называемую геномную селекцию.
Геномная селекция на сегодняшний день является самым современным способом оценки племенных качеств животных. Она основана на установлении точной взаимосвязи между структурой ДНК животного, его экстерьером и продуктивными показателями.
Известно, что большая часть хозяйственно ценных селекционных признаков имеет полигенный характер, т.е. контролируется множеством генов. Соответственно большинство показателей продуктивности животных являются комплексными, зависящими от суммарного действия значительного числа генов, каждый из которых играет небольшую роль, а также взаимодействия между генами. При этом способность животного в максимальной степени проявить генетический потенциал определяется и воздействием факторов окружающей среды. При этом изменчивость признаков под воздействием фенотипических факторов может достигать 50 %. В то же время проявление того или иного признака продуктивности при любых условиях среды достаточно постоянно и зависит от аллельного состояния отдельных генов. Такие гены называются основными генами количественных признаков (Quantitative Trait Loci, QTL). В настоящее время разработанные молекулярно-генетические методы позволяют определить различия между животными по аллельным вариантам в локусах ДНК, которые либо непосредственно влияют на проявление признака, либо связаны с QTL, что делает возможным картировать эти локусы и проводить отбор животных непосредственно по генотипам.
До сих пор селекционное значение генотипа животного оценивается по фенотипическому проявлению в период продуктивного использования. Основное преимущество геномной селекции - это возможность расшифровать генотип животных сразу после рождения, установить наследование в генах определенных ценных аллелей и отбирать для разведения только самых лучших животных, не дожидаясь начала производства потомства. Таким образом, технология позволяет на самых ранних стадиях развития увеличивать селекционную точность и надежность оценки племенной ценности животных. Подсчитано, что экономический эффект от использования геномной селекции в расчете на одного быка-производителя составляет около 20 тыс. евро. Он складывается за счет экономии средств на проведение традиционной оценки по продуктивности потомков, которая занимает, как правило, в молочном скотоводстве 4-5 лет, при этом лишь десятая часть отбирается для дальнейшего племенного использования.
В настоящее время более 25 стран ведут геномные исследования разных видов сельскохозяйственных животных, на реализацию которых
выделяются значительные средства. Достаточно сказать, что только в США реализуется около 10 проектов, бюджет которых составляет сотни миллионов долларов, связанных как с использованием фундаментальных основ геномной селекции, так и с практическим освоением этих технологий в животноводстве.
Следует отметить, что наибольшие успехи в практическом применении геномной селекции отмечены для крупного рогатого скота. Это объясняется тем, что для разработки ДНК-чипа учеными США были проанализированы геномы практически всех быков-производителей, поступающих в североамериканские центры по искусственному осеменению и оцененных по качеству потомства более чем за 15-летний период.
Успехи в совершенствовании методов биологии и молекулярной генетики, накопление фундаментальных знаний в этих областях позволило к 2010 году расшифровать геномы основных видов сельскохозяйственных животных - крупного рогатого скота, свиней, овец и проводить генотипирование животных по тысячам ДНК-маркеров. Было установлено, что отличие в последовательности ДНК размером в один нуклеотид (A, T, C или G) может быть причиной изменения последовательности чередования аминокислот в белке. В зависимости от такого изменения действие белка в цепочке биохимических реакций усиливается или ослабляется, что в свою очередь изменяет в ту или иную сторону проявление признака продуктивности. Этот однонуклеотидный полиморфизм (SNP, Single Nucleotide Polymorphism) был признан наиболее информативным и удобным для использования в практической прикладной селекции. Многолетними исследованиями было установлено, что у сельскохозяйственных животных насчитывается несколько сотен тысяч таких маркеров, в среднем один на 50 тысяч нуклеотидов, которые равномерно распределены по всему геному.
Точки SNP могут находиться в экзонах, интронах или регуляторных областях генов, но в любом случае оказывают достоверное влияние на проявление хозяйственно значимых признаков животного.
Чтобы вычислить суммирующееся воздействие многих генов, а также возможный эпистатический эффект, в последнее время внимание исследователей было сосредоточено на реализации геномной селекции (или селекции целостного генома) (Goddard and Hayes, 2007). Данный подход, безусловно, перспективен, и в будущем именно на нём будут основаны селекция и ветеринария. Ограничением метода сегодня является непонимание принципов работы генома и фактических механизмов реализации в том или ином виде мультигенных признаков. Классическая селекция сегодня может использовать данные полногеномного анализа, но только как справочный материал, решения же до сих пор принимаются на основе анализа фенотипа. Прорывным направлением в геномном анализе является применение на большом
числе животных (в таких исследованиях должны быть задействованы сотни тысяч животных) SNP-чипов (Phua, 2014), которые позволяют соотносить фенотипические признаки с наличием/отсутствием в геноме конкретных SNP, что, в свою очередь, позволяет создать базу данных для оценки важности каждого из исследованных SNP для фенотипа.
К сожалению, до сих пор темпы открытия новых точечных мутаций, влияющих на проявление хозяйственно значимых признаков, были незначительными. Это связано с:
1) невозможностью с достаточной эффективностью вычленить большие регионы генома, идентифицированные как содержащие значимые нуклеотидные замены;
2) обычно маленькими эффективными размерами большинства значимых нуклеотидных замен;
3) трудностью с получением статистически достоверных данных о влиянии конкретной нуклеотидной замены;
4) отсутствием расшифровки генотипа для большинства домашних животных (геном быка был секвенирован в 2009, а геном овцы - в 2012 году (Bovine Genome Sequencing and Analysis Consortium, 2009; International Sheep Genomics Consortium, 2010).
Сочетание расшифрованного генома с высокоплотным SNP-чипом дает возможность значительно ускорить открытие значимого генетического полиморфизма, в том числе для оценки мясных качеств животного. Несмотря на указанные выше ограничения, было открыто несколько значимых генетических вариантов с относительно большим воздействием на признаки мясности. Более того, были выявлены новые генетические и биохимические механизмы, ассоциированные с этими генетическими вариантами.
Обзор информации данных по генетической селекции в овцеводстве показывает, что в разной степени изучено влияние около 50 целевых генов на продуктивные показатели овец. Что касается мясной продуктивности овец, то в экспериментах на больших группах животных, и/или представляющих наиболее яркий фенотип, получены данные о полиморфизме и влиянии на мясную продуктивность нескольких важных единичных генов.
Гормон роста. В экспериментах показано, что суперэкспрессия гена GH приводит к ускоренному росту и развитию организма животного (Piper et al., 2001). Следовательно, можно ожидать, что изменения в уровне экспрессии или в структуре гена/белка могут приводить к положительному влиянию на хозяйственно значимые признаки, в т.ч. прирост живой массы.
Каллипигия. Фенотипически у овец мутация callipyge-SNPCLPG(callipygemuscle hypertrophy gen - CLPG) проявляется мускульной гипертрофией, в первую очередь в области таза и задних конечностей (Jackson et al., 1997a; Koohmaraie et al., 1995, Cockett et al., 2005). Мышцы у таких ягнят увеличены в разной степени, при этом
гипертрофируются не все мышцы. У ягнят с каллипигией проявляются некоторые желательные хозяйственно значимые характеристики и свойства качества мяса: более высокий процент выхода мяса, большая филейная часть, мясо было более постным, конечности их были оценены выше (Jackson et al., 1997c, Koohmaraie et al., 1995). У этих ягнят лучшие качества туши выражались в лучшем выходе (по сравнению с ягнятами обычной мускулистости) цельных конечностей, филейной части, корейки на кости и лопаток на 11,8%, 4,7; 2,5 и 2,3% соответственно (Busboom et al., 1999). В дополнение к этому ягнята с каллипигией были более продуктивными по мясу при меньшем ежедневном поглощении кормов (Jackson et al., 1997b), что проявлялось в меньших производственных затратах. Следовательно, широкое использование описываемых ягнят потенциально способно снизить стоимость ягнятины для потребителей и повысить рентабельность овцеводства. В то же время отрицательным признаком, даже пороком ягнят с каллипигией, является высокая жесткость мяса (Koohmaraie et al., 1995; Moore et al., 1998; Shackelford et al., 1997).
Калпаин. В 1976 г. был изучен первый белок семейства калпаинов (calpain), играющий ключевую роль в декомпозиции мяса, происходящей после забоя животного. Система кальпаина представляет собой комплекс протеолитических и цитолитических белков. Эта система включает в себя кальцийзависимую протеазу, играющую значительную роль в росте мышц и получении мясом нежной текстуры после забоя (Sensky et al., 2000). Кальпаины считаются инициирующим фактором декомпозиции мышечных волокон. Ферменты кальпаина у живых овец контролируют рост мышц за счет контроля декомпозиции мышечных волокон. После забоя ферменты кальпаина делают мясо более нежным за счет декомпозиции Z-дисков скелетной мускулатуры и ослабления связей между мышечными волокнами.
Кальпастатин. Кальпастатин - это специфический ингибитор кальцийзависимых протеолитических ферментов (кальпаинов m и |j) в тканях млекопитающих. Tahmourethpour et al. выявили генотип АС овцы, обладатели которого лучше всего набирали вес. Palmer et al. (Palmer et al., 1999) также сообщали о том, что овцы с гентипом АС набирали 123г/день, что на 18% больше, чем у овец с генотипом АА у гибридных Dorset и Coopworth овец. Следовательно, полиморфизм овец по гену кальпастатина может применяться в качестве маркера производительности: по набору веса и качества мяса.
Таким образом, развитие геномной селекции, основанной на полногеномной оценке животных, в недалеком будущем может стать существенным ускорителем традиционной селекции.
