Генетические маркеры в селекции свиней

Содержание:

1.     Введение…………………………………………………...….…… 3

2.     Генетические маркеры в селекции свиней………………….…… 4

3.     Типы маркеров..……………………...……………………………. 7

4.     Заключение…………………………….…………………………. 12

Библиографический список……….…………………………......……. 13

1.     Введение

В условиях перехода экономики России на рыночные отношения первостепенное значение должно приобретать производство качественной продукции свиноводства, что возможно при наличии животных с высоким генетичес­ким потенциалом, который формируется целенаправлен­ной селекционной работой. Как показал опыт отечествен­ных и зарубежных ученых, эффективность племенной ра­боты с животными можно повысить путем совершенство­вания ее методов на основе использования различных генетических маркеров. Выявление таких маркеров на ос­нове экспериментальных исследований, мониторинг раз­личных пород свиней, их популяционно-генетический анализ, изучение роли генетических маркеров в микроэволюционных процессах с целью совершенствования се­лекционного процесса являются важными условиями в работе с этим видом животных. Эффект селекции во мно­гом зависит от рационального использования имеющихся в той или иной стране генетических ресурсов.

Столетиями методами народной селекции создавались генетически разнообразные породы свиней. В течение по­следних столетий эти породы были отселекционированы с учетом различных национальных культур, внешних ус­ловий среды, задач и потребностей человеческого обще­ства. На основе биоразнообразия, существующего в пре­делах вида, в большинстве стран мира были созданы уни­кальные породы свиней. Так например, по данным ФАО, в мире сущест­вует 350 пород свиней, при этом только в одном Китае насчитывается 66 пород, из ко­торых 48 – местной популяции, 12 выведены недавно с использованием западных пород и 6 импортированы из Европы и Америки.

2. Генетические маркеры в селекции свиней.

История интенсивного изучения и использования ге­нетических маркеров в популяциях свиней насчитывает более 35 лет. В развитых странах мира в области свиноводства данные системы с целью получения качественной конечной продукции или искоренения на­следственных болезней используются достаточно широко.

В настоящее время все генетические марке­ры принято классифицировать на 3 большие группы.

Генетические маркеры I порядка (группы крови, полимор­физм белков и ферментов крови, полиморфизм белков мо­лока, антигены главного комплекса гистосовместимости I класса - SLA класс 1, антигены тромбоцитов, аллотипы белков сыворотки крови).

К генетическим маркерам II по­рядка или анонимным генетическим маркерам относятся полиморфные системы ДНК – это микросателлиты и антигены главного комплекса гистосовместимости II класса – SLA класс II.

К генетическим маркерам III порядка от­носится группа маркирующих систем, выявляющих такие гены, которое связаны с хозяйственно полезными призна­ками или наследственными заболеваниями: ген злокаче­ственного гипертермического синдрома – MNS-ген; ген, ответственный за вкусовые качества мяса – RN-ген, или ген Наполи; гены, ответственные за высокую плодови­тость – ESR и PRLR-гены; гены внутримышечного жира – HFABP и AFABP-гены и др.

Из генетических маркеров I порядка хорошо изучены группы крови у свиней. В настоящее время к ним отно­сятся 16 систем групп крови, объединяющих 77 антиге­нов и 81 простых и сложных аллелей. По полиморфным белкам описано 58 локусов, из них 24 в плазме крови, 18 в эритроцитах и лейкоцитах, 7 в мо­локе и 9 в других биологических жидкостях и тканях ор­ганизма. Локусы полиморфных систем кодируют белки, выполняющие определенные функции в организме сви­ней и в большинстве случаев существует их гомология по расположению с другими видами млекопитающих, что имеет немаловажное значение при характеристике картированных генов. Большинство полиморфных систем явля­ется ди- и триаллельными локусами.

В селекционной практике применение этих маркеров носит ограниченный характер из-за низкой степени био­химического полиморфизма у большинства пород и видов сельскохозяйственных животных или в силу трудоемкос­ти их исследования. Проведенный анализы показали, что средний уровень гетерозигощости в популяциях на основе 30 локусов белков составил 6%. Такую цифру можно считать существенно заниженной по сравнению с истинной гетерозиготностью популяций.

Начало нового этапа генетических исследований на­ступило с введением в практику полиморфизма ДНК-маркеров, что было связано с выходом основополагающей ра­боты Д.Ботштейна и др. (1980). Авторы описали примене­ние полиморфизма длин рестриктных фрагментов (ПДРФ) для построения генетической карты человека. Данная работа положила основу создания молекулярно­-генетической карты томата, кукурузы, многих видов жи­вотных. Но большинство ПДРФ-маркеров является диаллельными, основанными на наличии или отсутствии рес­трикционного сайта. Оказалось, что ПДРФ-маркеры включают около 1 % вариабельной ДНК животных. Наи­более информативными оказались открытые в последнее десятилетие маркеры, принадлежащие к повторяющейся фракции геномной ДНК – мини- и микросателлиты, со­ставляющие 30 % эукариотического материала и демонстрирующие необычайно высокий уровень полиморфизма благодаря вариациям в количестве повторенных единиц. Они как раз составляют генетические маркеры II порядка. В настоящее время у свиней открыто около 750 генов ми­кросателлитов, однако для характеристики пород в прак­тике по рекомендации рабочей группы ФАО используют 27 локусов.

С учетом мирового опыта применительно к индустрии свиноводства Российской Федерации с точки зрения науч­ных и прикладных исследований наиболее желательным для диагностики считается ряд генов, ответственных за количественные и качественные признаки.

Напри­мер, у свиней к ним относится MHS-ген, вызывающий дряблость, эксудативность получаемой свинины. Вместе с тем правильное использование этого гена позволит по­лучать от гетерозигот нежную свинину. Поэтому такую работу необходимо проводить под жестким генетическим контролем. Другим геном, способным оказать влияние на качество мяса, является RN-ген или Наполи-ген, исполь­зование которого позволит своевременно исключать по­лучение "кислой" свинины.

В современных условиях ведения свиноводческой отрасли особое значение приобретают гены, ответственные за нормальную плодовитость (ESR и PRLR) и наличие вну­тримышечного жира (HFABP и AFABP). Учитывая высо­кую заболеваемость и отход молодняка до 30 % из-за ки­шечной инфекции, диагностика генов рецепторов К88АВ, К88АС, а также ЕCF18R позволит вести селекцию на ус­тойчивость к антигену К88 кишечной палочки и диарее, а следовательно – целенаправленно создавать популяции свиней, устойчивых к определенным заболеваниям.

3.     Типы маркеров.

Полиморфизм длин рестрикционных фрагментов (ПДРФ). Впервые ПДРФ был использован как генетический маркер в 1974 г. при идентификации термо-чувствительной мутации в геноме аденовируса. Однако широкое применение вариантов полиморфизма ДНК в качестве генетических маркеров началось с 1980 г. после выхода основополагающей работы Ботштейна с соавт. [22], в которой были изучены свойства ПДРФ как генетического маркера, дано теоретическое обоснование его использования и предложен метод оценки уровня информативности. ПДРФ используют для анализа полиморфизма конкретных локусов (генов). Способ анализа ПДРФ сводится к обработке ДНК рестриктазами с последующим электрофоретическим разделением полученной смеси и определением длин рестрикционных фрагментов после блот-гибридизации со специфическим меченым зондом. Так как рестрицирующие эндонуклеазы имеют строго специфические места расщепления, то генетические различия в нуклеотидной последовательности ДНК между индивидуумами (т.е. полиморфизм на уровне ДНК) приведут к различному распределению сайтов рестрикции вдоль соответствующих молекул ДНК и получению продуктов рестрикции, в которых длина гомологичных фрагментов будет различаться. Таким образом, полиморфизм ДНК будет тестироваться как ПДРФ.

Основной причиной, приводящей к возникновению полиморфизма ДНК, первоначально считались точковые мутации (а также микроделеции и инсерции), затрагивающие сайты узнавания тех или иных эндонуклеаз рестрикции. В последующих работах спектр возможных причин был расширен, и в настоящее время основная роль отводится таким факторам, как крупные делеции и вставки, трансверсии, транслокации, транспозиции мобильных генетических элементов и т.п. Кроме того, некоторые рестриктазы не способны расщеплять ДНК, если сайт узнавания содержит один или несколько метилированных цитозиновых остатков.

С использованием ПДРФ-маркеров были получены первые успешные результаты по построению молекулярно-генетических карт многих видов растений и животных, накоплены обширные сведения о генетическом полиморфизме различных организмов, выявлены ассоциации с хозяйственно-полезными признакам. Важным достоинством данного типа маркеров является высокая воспроизводимость результатов, а также кодоминантный тип наследования. ПДРФ-локусы могут обладать множественными аллелями, что повышает их информативность. ПДРФ-анализ митохондриальной ДНК и кластера генов, кодирующих рибосомные РНК (рДНК), широко используется в популяционной генетике, биогеографических и филогенетических исследованиях.

Полиморфизм длин продуктов амплификации (AFLP-маркеры). Для исследования вариабельности генома в целом может быть также использован метод анализа AFLP. Этот метод также не требует ни предварительного клонирования, ни секвенирования ДНК. Особености этого подхода заключаются в использовании в качестве матрицы рестрицированных фрагментов ДНК, лигированных со специфическими олигонуклеотидными адаптерами, и проведении избирательной амплификации со специально сконструированными праймерами. Этот тип полиморфизма ДНК также имеет доминантный тип наследования. AFLP-маркеры часто наследуются как тесно сцепленные кластеры в районе центромеры или теломеры хромосом, но наблюдается и случайное распределение маркеров вне этих кластеров, что позволяет, используя этот подход, быстро генерировать сотни высоковоспроизводимых маркеров. AFLP-маркеры были успешно использованы для геномного картирования в популяционных и филогенетических исследованиях. В последние годы эти маркеры получают все более широкое распространение для исследования мало изученных таксономических групп.

ISSR. Для создания ISSR-маркеров используют праймеры, комплементарные микросателлитным повторам (4-12 единицам повтора) и несущие на одном из концов последовательность из двух-четырех произвольных нуклеотидов (так называемый "якорь"). Такие праймеры позволяют амплифицировать фрагменты ДНК, которые находятся между двумя достаточно близко расположенными микросателлитными последовательностями (как правило, это уникальная ДНК). В результате амплифицируется большое число фрагментов, представленных на электрофореграмме дискретными полосами (ISSR-фингерпринтинг). ISSR-маркеры также относятся к маркерам доминантного типа наследования, полиморфизм которых тестируется по наличию/отсутствию полосы. Метод обладает хорошей воспроизводимостью и наряду с AFLP может быть с успехом использован для выявления межвидовой и внутривидовой генетической изменчивости, идентификации видов, популяций, линий, а в ряде случаев и для индивидуального генотипирования. ISSR-маркеры могут быть использованы также для картирования геномов и маркирования хозяйственно-полезных признаков.

Микросателлиты – первые, полученные с использованием ПЦР, высокополиморфные маркеры для индивидуальных локусов. Подобно минисателлитам, микросателлиты относятся к диспергированным тандемно повторяющимся последовательностям, но единицы повторов (ди-, три- и тетрануклеотиды) и общий размер повторяющейся области существенно короче (как правило, не более 100 п.н.). Эти маркеры известны под несколькими названиями:  микросателлиты, STMS,  STR,  SSR. По аналогии с системой STS была предложена система STMS, которая фактически является частью системы STS. Для создания STR подбираются праймеры к уникальным последовательностям ДНК, фланкирующим микросателлитный повтор, что требует предварительного знания их нуклеотидной последовательности. Полиморфизм STR определяется различной копийностью мономерных единиц в кластере, что приводит к существованию множественных аллельных вариантов. Гетерозиготность их очень высока (часто более 75%). При создании новых полиморфных маркеров, кроме динуклеотидов, используются микросателлиты три- и тетрамерных мотивов, значительная часть которых также высокогетерозиготна. Благодаря большей длине звена, применение тримеров и тетрамеров позволяет упростить методику анализа аллельного полиморфизма.

Несмотря на высокую популярность микросателлитов, они имеют и некоторые недостатки. Неравномерность скорости мутирования разных микросателлитов создает определенные сложности для популяционно-генетического анализа. Имеются и технические проблемы, такие как артефакты при проведении ПЦР (за счет эффекта "проскальзывания"), сложности в разработке технологий для автоматического скрининга микросателлитных аллелей. Кроме того, несмотря на высокую плотность микросателлитных локусов в геноме, их бывает недостаточно для тонкого картирования отдельных областей геномов, создания маркеров для локусов количественных признаков (QTL) и решения многих других задач. 

Полиморфные маркеры, основанные на тестировании однонуклеотидных замен (SNPs) – это однонуклеотидные позиции в геномной ДНК, для которых в популяции имеются различные варианты последовательностей (аллели) с частотой редкого аллеля не менее 1%. Основным достоинством SNPs является возможность использования автоматических методов их детекции, например, использование ДНК-микропанелей. Существующие способы тестирования SNPs можно условно разделить на несколько групп, но разделение условно, поскольку в большинстве случаев используются сочетания различных подходов.

STSs-маркеры. Первая попытка систематизации ДНК-маркеров была предложена в 1989 году Ольсоном с соавторами. Им была сформулирована идея создания системы STS-маркеров, которая была призвана стандартизовать все обозначения маркированных последовательностей ДНК в геноме и включить в себя все типы картированных последовательностей. Первоначально STS-маркеры создавались на основе различных технологий, но впоследствии был осуществлен перевод практически всех STSs на основу ПЦР для более удобного использования. Основные требования к STSs - знание их нуклеотидной последовательности и уникальность в геноме. STSs можно рассматривать как мономорфные ДНК-маркеры, поскольку их используют в экспериментах, где наличие полиморфизма не требуется, в таких, например, как построение физических карт геномов или выявление тестируемых последовательностей в рекомбинантных клонах или генетически модифицированных организмах.