Individuelle Genomsequenzen – Aussichten für die Tierzucht

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Lehrstuhl für Tierzucht
Hans-Eisenmann-Zentrum
Technische Universität München
Individuelle Genomsequenzen –
Aussichten für die Tierzucht
Ruedi Fries
WZW / Hans-Eisenmann-Zentrum
Agrarw. Symposium - 1
Auswirkungen der
Genomischen Revolution
auf die Tierzucht
(und Pflanzenzucht)
Schwerpunkte
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Das Genom (Genomik)
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Genomische Referenzsequenzen
●
Von der phänotypischen zur genomischen
Selektion
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Individuelle Genomsequenzen
●
Genomische Selektion 2.0
Das Genom
●
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Gen + Chromosom → Genom (Genomik)
Die Chromosomen sind Kettenmoleküle
(Polymere) aus vier Nukleotiden mit einer
der vier Basen: Adenin, Cytosin, Guanin,
Thymin
●
3.4 Zentimeter / 100 Millionen Basen
●
3 Milliarden Basen / Genom
Chromosom 1 des Rindes – Base 1
AAATTAGACACTGAAGAGACTTGGAAAGAGAGGAAGTCAAATAACAAAGAAGAGGAAACCACTCTAGAAGTGACAGATG
CAACAGATTAAAACCCTGTAGTTAAAATTGACTAAGTATTGGAAGGGGCCTATAGACCTTGAGTATTCTCAAGGTGGAA
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GAGAATTGTTTCACCATTAACCTAGATGTTTTATCATCTGTGCTGTATGGATGGAGAAGTCTTAAGGCTACTGTAGAAT
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CAACAAGAGCTCATCCAAAAGCCTCCATACCTACACGGAAACCAAGCTCCATCCAAGAGCCAACAAGTTCCAGATCAAG
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AAAAAGAAACCACAGATTTCCAGCCTACAGAAAGGTCACCCCAAATACAGCAATCTAAACAAAATGCAAAGGCAGAGAA
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ACAGGATAAACCCAAGATGAAAACATCCTAAGACATACATTAATCAAATTAATGAAGACCAAACACAAAGAACAAATAT
TAAAGCCAGCAAGGGAAAAGCAACA...
Chromosom 1 des Rindes – Base 1000
Sequenzierung von Dominette
(„model organism for human medicine“) >
50 Mio $ von ...
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NHGRI ($25 Mio)
NIH ($10 Mio)
(Free) State of Texas ($8 Mio)
Genome Canada ($5 Mio)
Robert und Helen Kleberg Foundation ($2 Mio)
USDA-ARS ($1 Mio)
CSIRO (Australia) ($1 Mio)
New Zealand ($1 Mio)
Seit 2004 Referenzsequenzen
für Nutztiere
●
Huhn - Washington University, Medical
School
●
Rind - Baylor College of Medicine
●
Honigbiene - Baylor College of Medicine
●
Pferd - Broad Institute, MIT
●
Schwein - Sanger Institute
Individuelle Abweichungen von
der Referenzsequenz
●
Re-Sequenzierung von Abschnitten des
Genoms bei anderen Individuen
●
„Single Nucleotide Polymorphisms“ (SNPs)
●
Insertionen / Deletionen
●
„Variable Copy Number“ (CNVs)
Re-Sequenzierung
Referenz-Sequenz
...AGTCTAGGGACTAGATATGCAGATGCACGATGTAGCTTGAGTGT...
Tier 1
...AGTCTAGGGACTAGATATGCAGATGTACGATGTAGCTTGAGTGT...
Tier 2
Tier 3
Welche Effekte haben die SNPs
auf den Phänotyp?
●
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Die allermeisten sind neutral.
Einige sind aber sehr nahe bei einem SNP,
der sich auf den Phänotyp auswirkt.
SNPs mit einer Wirkung auf den Phänotyp:
Quantitative Trait Loci (QTL)
● Prof. Hans Geldermann
SNPs als Marker für die Vorhersage des
genetischen Wertes eines Tieres
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Über benachbarte SNP-Marker wird der Effekt
der anonymen QTL auf das Merkmal geschätzt.
„Prediction of total genetic value using genomewide dense marker maps“ Meuwissen et al.,
2001 → Genomische Selektion
Umsetzung ab 2008 beim Milchrind, nach
Lancierung des 54.000 SNP Chip durch die
Firma Illumina (< 200 € pro Tier)
Genomische Selektion (Milchrind)
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Genotypisiere mindestens 2000 Bullen mit
konventionell geschätzten Zuchtwerten (ZW)
(Kalibrierungspopulation) an ca. 40.000 SNP-Loci.
Schätze den Effekt jedes SNP auf den ZW (→
Schätzformel)
Genotypisiere Kandidatentiere; summiere den Effekt
* Genotyp für alle SNPs um den genomischen
Zuchtwert (gZW) jedes Kandidaten zu erhalten.
Selektiere aufgrund des gZW.
Genomische Zuchtwerte seit August
2010 auch in Deutschland!
Vorteile der genomischen gegenüber
der konventionellen Selektion
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Kürzeres Generationenintervall →
doppelter Zuchterfolg pro Jahr
Aufwändiges Aufziehen und Halten von
Testbullen entfällt → Einsparungen bis zu
90% der Kosten für die Bullenprüfung
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54K Chip für die Rasse Holstein-Friesian (HF)
optimiert → hohe Sicherheiten
Fleckvieh – QTL können nicht optimal markiert
werden → niedrigere Sicherheiten
Große Kalibrierungspopulation (> 4000)
notwendig → GS für kleine Populationen nicht
möglich
Schätzformel nicht übertragbar
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Neuer Illumina-Chip seit Ende Juli 2010: 777.000
SNPs (777K)
Optimiert für alle wichtigen Rassen, inkl.
Fleckvieh
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Individuelle Sequenz von Vanstein durch
HelmholtzZentrum münchen und TUM
Imputation von 777.000 SNPs via 54.000 SNPs
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Höhere Sicherheiten auch beim Fleckvieh!
Übertragung der Formeln auf kleine Rassen?
VANSTEIN - Erster Bulle mit
individueller Genomsequenz
*30.09.2000, GZW 137, 98 Söhne,
47.000 Erstbesamungen 2009
Drei Generationen der
Sequenzierautomation
●
1
1987 - ABI 370 (Applied Biosystems)
●
1.5
2005 - 454 Life Sciences (Roche)
●
2
2006 - GA I Solexa (Illumina)
2007 - SOLiD 1 Agencourt
(LifeTechnologies via Beckman)
●
3
Pacific Biosystems
Oxford Nanopore (Illumina)
Ion Torrent (Life Technologies)
Illumina: Imaging
150 MILLION CLUSTERS
PER FLOW CELL
20 MICRONS
100
MICRONS
Hoch-Durchsatz-Sequenzierung:
„State-of-the-art” Herbst 2010
ABI
Roche
ABI 3730 GSFLX
ABI*
Illumina
SOLiD 4 HiSeq 2000
Basen / Lauf 70 kb
400 Mb
300 Gb
200 Gb
Leselänge
400 bp
75 bp
100 bp
750 bp
*Life Technologies
Mooresches Gesetz:
Komplexität integrierter
Schaltkreise verdoppelt sich alle 18–24
Monate.
The Economist, June 17, 2010
Individuelle Genomsequenz für 2.500 €
(für Verbrauchsmaterial)
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8 x Abdeckung → Entdeckung der meisten
SNPs eines Individuums
Sequenzierung von etwa 80 Stammvätern →
Entdeckung der meisten SNPs einer Rasse
Imputation der Sequenz auf die ganze Population
via 777K-Chip → individuelle Genomsequenz
jedes genotypisierten Tieres
●
●
Auf (imputierten) individuellen
Genomsequenzen basierend
Identifizierung von Quantitative Trait
Nucleotides (QTNs) – Nukleotide, die
für die QTL-Variation verantwortlich
sind.
(Fortsetzung)
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Bislang anonyme QTL-SNPs werden als
QTNs direkt angesprochen.
Maximale Sicherheit des genomischen
Zuchtwertes
Nachhaltigkeit und Übertragbarkeit der
Schätzformeln
Genomische Revolution und
Grüne Revolution II
●
●
Ausleuchten der Blackbox des quantitativgenetischen Modells der klassischen
Tierzucht (Pflanzenzucht)
Genomische Identifizierung von
Genotypen, die sich für low-input / highoutput Systeme eignen
Danke ...
●
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Sebastian Eck, Anne Benet-Pagès, Tim Strom,
Thomas Meitinger
Hubert Pausch, Krzysztof Flisikowski, Simone
Jung ...
Johann Aumann, Wolfgang Lampeter, Fam.
Röhrmoser
Dr. Dr. h. c. Karl Eibl-Stiftung
BMBF
● Synbreed (www.synbreed.tum.de)
● FUGATO-plus

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