1 Genetika živočichů Genetika domácích zvířat: komparativní přístupy Domácí zvířata 1. Domácí a hospodářské zvíře 2. Postavení domácích zvířat v systému klasifikace živých organismů Nižší taxony 1. Plemeno, linie, ráz 2. Rozdělení plemen domácích zvířat 1 Domácí zvíře jako model 1. 2. 3. 4. Domestikace jako „evoluce v akci" Model lidských znaků (nemocí) Model aplikace základní vědy Model pro SZZ ->Podle původu ->Podle morfologie {kraniologie) ->Podle geografického rozšíření ->Podle užitkového zaměření ->Podle původu ->Podle morfologie {kraniologie) ->Podle geografického rozšíření ->Podle užitkového zaměření I Plemena http://www.ca.uky.edu/aqripedia/Clas ses/ASC106/CLASSZOO.asp Nižší taxony 1. Plemeno, linie, ráz 2. Rozdělení plemen domácích zvířat ^^BDoměstikace: Neolitická revoluce The most important technological development ever to occur in human history was the domestication of plants (agriculture) and animals (pastoralism). Together these developments are called the Neol'dhic Revolution and they allowed the development of urban centers (towns and, later, cities), trade and most of the other things we consider to be components of "civilization." http://www. river^a!!eycivi!izations.wm/neo!ithic.php Domestikace 1. Nezávislost na fluktuaci prostředí 2. Soustředění na zdroje obživy 3. Změny v demografické distribuci 4. Předpoklady pro vzestup civilizace Domestikace 1. Vzácná událost v omezeném počtu lokalit 2. mtDNA: nezávislost ohnisk domestikace 3. Zpětné křížení s divokými předky P$ Evoluce v akci (Andersson 2011) > High phenotypic diversity and less extensive genetic heterogeneity than humans > Related domesticated, captive and free-ranging species living in different environments > Signatures of natural and artificial selection in the genomes HDomestikace a genetická variabilita jako základ šlechtění - Fenotypová - Genotypová I Příklad: domácí pes I SNPs in 79 dog breeds and their associations to morphology (in red) Functional variation: The genomic signature of dog domestication reveals adaptation to a starch-rich diet. Erik teelsson etai: Nature (2012} 4%, 360-364 Boykoet al PLOS Biol 2010 I The cost of domestication: deleterious mutations in dogs PrOpDrliDn of NonSj'nDnymoiľi and SjnOnjiBíiUS Change* Dos (U2Z5 49J 58,1 («.2(19-0.5121) 02,4-69,2) P7.7-7Í.6) Wolf 0,209í 45.7 S2.S (t).] Genetika zdraví ^Genetika normálních znaků: exteriér, užítkouost ^Genetika zdraví: DO, UUU, resistence, reakce na léčbu, enulronmentálnímutageny, genové manipulace I ENETIKA ZDRAVÍ VE ŠLECHTĚNI ZVIRAT [šlechtitelského cíle m Součást šlechtitelského cíle I ŠLECHTĚNÍ mSelekce mPlemenitba 1 ŠLECHTĚNÍ mSelekce mPlemenitba Selekce upřírodní/umělá in negativn í/poziti vn í mna jeden znak/na více znaků sfenotypová/genotypová Selekce upřírodní/umělá s negativní/pozitivní mna jeden znak/na více znaků sfenotypová/genotypová Selekce upřírodní/umělá s negativn í/poziti vn í mna jeden znak/na více znaků sfenotypová/genotypová Selekce na leden znak mDirekcionální ^Stabilizační mDisruptivní Selekce upřírodní/umělá s negativní/pozitivní mna jeden znak/na více znaků sfenotypová/genotypová ■ a) Directional selection (b) Disruptive selection (c) Stabilizing selection sTandemová m Nezávislé vyřazování ^Simultánní - selekční indexy Selekční index Selekční indexy TabfeV Fiatiir« oľa stlwtioia infos for sliřřp ľreáieleä1 tictalivc Economic Contribution to overage Volne economic respůňxe Trait | P) (3) No. lambs bom CNLĚ} 0.05 iambs 554 É5 Weanmgw! (WWT) 0.5 kj M 29 Hcj|gsiiire^taiLW5 u te t) n Selekce upřírodní/umělá s negativní/pozitivní mna jeden znak/na více znaků sfenotypová/genotypová I Genotypová selekce Nutnost odhadu plemenné hodnoty Identifikace genu mHybridologická analýza ^Molekulární analýza s Analýza in silico ODHAD PLEMENNÉ HODNOTY sPodle příbuzenstva sPodle markerů ODHAD PLEMENNÉ HODNOTY sPodle příbuzenstva sPodle markerů PH podle příbuzenstva mVlastní užitkovost mPředkové a kolaterální příbuzní sPotomci | PH podle potomku mMetoda vrstevnic mSkupiny potomstva Integrované metody •BLUP •Animal model I ODHAD PLEMENNÉ HODNOTY sPodle potomků sPodle markerů S Cílená analýza S Celogenomová analýza I Identifikace genů - markem pro zdraví a užitkovost 0 Redukcionismus vs. 0 Holismus I Holismus v biologii a genetice OMIKY Relative Perspective (Equine Genome) Whole Genome Analysis Chromosome > Simple traits (coat color, disease...) > Complex traits (production, disease, predisposition to disease.....) oiks -" -\5%) Manry and Quintana-Murci, Cold Spring Harb PerspectMed"Xl\3; I Simple traits: search for causative mutations High throughput methods - next generation sequencing a:::;::::::::::: ■"!íí;!% vMi^i'....... LEITER Serial translocation by means of circular intermediates underlies colour sidedness in cattle Durkin et al. Nature 2012 Charlieret al. Science2C I Identifikace molekulárního markem HI Cílená analýza S Celogenomová analýza GENOMIKA A PROTEOMIKA Systematická a komplexní analýza genomu a proteomu J Geny zdraví a nemoci Genomika a postgenomika Postgenomická éra Období, kdy jsou známy kompletní sekvence genomů významných organismů (lidský genom 2001) http ://www.ncbi.nlm.nih.gov/Genomes/ I Genom domácích zvířat > Struktura >Variabilita >Funkce >Využití METODICKY POTENCIÁL Genom Transkriptom Proteom HTTcTf Microarrays SAGE I Strukturní genomika >Celogenomové sekvence http://www.ensembl.org/ I Kompletní sekvence genomů latgtgcccgc cgcgcggcct cctccttgtg gccatcctgg tcctcctaaa ccacctggac 61 cacctcagtt tggccaggaa cctccccaca gccacaccag gcccaggaat gttccagtgc 121 ctcaaccact cccaaaacct gctgaggacc gtcagcaaca cgcttcagaa ggccaggcaa 181 accctagaat tctactcctg cacttctgaa gagatcgatc atgaggatat cacaaaagac 241 aagagcagca ccgtggcggc ctgcctcccc ctggaactcg ccccgaacga gagttgcctg 301 gcttccagag agatctcttt cataactaat gggagttgcc tgacccccgg aaaggcctct 361 tctatgatga cgctgtgcct tagcagcatc tatgaggact tgaagatgta ccaggtggag 421 ttcaaggcca tgaatgccaa gctgttgata gatcctcaga ggcagatctt tctggatgag 481 aacatgctga cagccattga caagctgatg caggccctga acttcaacag tgagactgtg 541 ccacaaaagc cctcccttga aggactggat ttttataaaa ctaaagtcaa gctctgcatc 601 cttcttcatg ccttcagaat ccgcgcagtg accatcaaca ggatgatggg ctatctgaat 661 gcttcctaa Strukturní a funkční anotace genomu J Genom domácích zvířat > Struktura ^Variabilita >Funkce >Využití Příklad: variabilita koňského genomu The September 2007 Equus caballus draft assembly EquCab2 (UCSC version equCab2) produced by The Broad Institute: http://qenome.ucsc.edu/cqi-binSNP >Repetice: msats >CNV I Single nucleotide polymorphisms (SNPs) http ://www.humgen.nl/SNP databases.html I Využití znalosti kompletní sekvence genomů 1. Identifikace genů a genových drah „in silico" 2. Komparativní genomika, význam modelů Identifikace genu > Hybridologická analýza > Molekulární analýza > Analýza in silico KOMPARATIVNÍ genomika > Evoluce: fylogeneze, speciace > Strukturní: sekvenční podobnost, homologie, ortologie > Geny pro nemoci: biomodely HVyužití znalosti kompletní sekvence genomů 1. Identifikace genů a genových drah „in silico" 2. Komparativní genomika, význam modelů ji Myš jako model lidských onemocnění > http ://www.cmhd.ca/databases/index.html > http ://www.informatics.iax.org/ > http ://www.mouseclinic.de/ I Genom domácích zvířat > Struktura >Variabilita >Funkce >Využití METODICKY POTENCIÁL Genom Transkriptom Proteom 2D.MS 3D I cDNA microarrays ~i;in!!!íi!i3l!l!HH!! (Perou et aľ, 2000) METODICKY POTENCIÁL Genom Transkriptom Proteom TfTTcTr Microarrays SAGE I PROTEOMIKA Studium proteinů exprimovaných v buňce I Genom domácích zvířat > Struktura >Variabilita >Funkce > Využití I Využití genomiky >Celogenomový přístup >Kandidátní geny 1 Molekulární disekce komplexních znaků OD FENOTYPU KE GENOTYPU DNA RNA TRANSLACEn ^> Protein Fenotypový projev OD GENOTYPU K FENOTYPU Molekulární disekce komplexních znaků 1. Fenotypizace 2. Genome wide association study (GWAS) 3. Analýza genové exprese: RNA, proteiny 4. Analýza drah (pathway analysis) GWAS m Princip: markery ve vazbě k dosud neznámým významným genům n Markery: SNP,mikrosatelity, n Postup: srovnání skupin extrémních fenotypu n výsledky: kandidátní chromosomální oblasti n Další postup: mapování oblasti, kandidátní geny i ^> | Analýza funkce identifikovaných genů | I Molekulární disekce komplexních znaků Fenotyp GWS Genové dráhy (custom arrays) Mechanismus vzniku nemoci I Genové dráhy (regulační, signální metabolické etc.) http://www.polyqenicpathwavs.co.uk/ •u m 1 Genové dráhy a mechanismus nemoci (patogeneze) http://www.DolvaenicDathwavs.co.uk/ Family Gene Cholesterol and li pop rote in-related A2M, ABCAI, APOAI, APOA4, APOCI, APOC2, APOC3, APOE, CD36, CETP, HMGCR, LDLR, LIPA, LRPI.LRP6, LPA, LPL, OLR 1, SREBFI Cytokines CCL2, CCR2, ILIB, ILIRN, IL6.ILI 8, TGFB1, TNF Oxidative stress ALDH2, GSTMI, GSTTI, HFE, MPO, NOS3, PONI, PON2 Nuclear receptor and related CYPI9AI, ESRI, PPARA Proteases ACE, CST3, MMPI, MMP3.SERPINEI Miscellaneous BCHE.CBS, CDI4, CRP, GNB3, HLA-A2, HTR6, ICAfvl 1, MEF2A, MTHFR, PTGS2, TLR4 Genes associated with both atherosclerosis/hypercholesterolaemia and Alzheimer's P Genomika v chovu zvířat >Molecular breeding value (MBV) >Parentita, dohledatelnost >Monogenní dědičná onemocnění > Komplexní nemoci a genetická predispozice I Využití genomiky >Celogenomový přístup >Kandidátní geny I STRUKTURNÍ GENOMIKA n Mapy fyzické n Mapy genetické n Mapy cytologické Mapy integrované Mapy cytologické E FISH H RH panel H Mikrodisekce E BACs, YACs I Genové mapyzvirat http://locus.jouy.inra.fr http://www.ri-bbsrc.ac.uk http://www.genome.iastate.edu http://www.sol.marc.usda.gov Institut National de Recherche Agronomique Laboratoire de genetique biochimique - Jouy-en-Josas Welcome to Horsemap Database World Wide Web Version 2.00 Last code change : 20 Feb2003 REQUEST ON B MAPPING LOCI LIST REQUEST ON POLYMORPHISM iť Horsemap was developped by Delphine & Fra INSTITUT NATIONAL DE LA RECHERCHE AGRONOMIQUE Laboratoire de Genetique Biochimique et de Cytogénétique de Jouy-en-Josas Mapping the Equine Genome stý- Entry of the Horsemap database - click here SUBMIT DATA FOR HORSEMAP ART FOR ANIMAL GENOME MAPPING Around HORSEMAP database Other Equine Genome Ressources Kandidátní geny ovlivňující užitkovost - příklady •skot: kappa-kasein •prase: ESR, RN, myostatin •ovce: Boorola Candidate genes for meat production Quantitative traits Candidate genes % of lean meat, PSE meat HAL, RYR1, CRC, c-myc MHS QTG CRC stress RYR + HSP70 + Triad Muscle building capacity MYOD family, MYF4 Muscle mass MYOST Birth weight POU1F1 Weight gain GH Fat percentage LEP % IMF H-FABP Feed conversion CCK uitsann candidate genes tor reproduction traits in pigs locus/ gene trait chromosome ESR Litter size 1 QTL Age in first heat 1 I SHU Litter size 2 QTL Ovulation rate 4, 3 QTL Number of embryos 8 Ovulation ratio uterus size QTL Length of pregnancy 9 StAR reproduction 15 PRLR Litter size 16 OPN Litter size 8 Effect of CRC genotypes vyšší věfši výäka hřbetního tuku menší Úhyny pred porážkou ŠLECHTĚNÍ mSelekce ^Plemenitba Rozdělení metod plemenitby sPodle podobnosti rodičů a potomků mHeteróza P APLIKACE VE ŠLECHTĚNÍ m MAS: Zpřesnění odhadu plemenné hodnoty, MBVJBV m Genomická selekce: Odhad plemenné hodnoty na základě SNP chipu Rozdělení metod plemenitby sPodle podobnosti rodičů a potomků mHeteróza Rozdělení metod plemenitby Podle podobnosti rodičů a potomků: - Čistokrevná plemenitba - Pozměňovací křížení Ičistokrevná plemenitba > Čistokrevná plemenitba s.s. > Osvěžení krve > Liniová plemenitba > Příbuzenská plemenitba Pozměňovací křížení >Zušlechťovací křížení >Prevodné křížení > Kombinační křížení I Rozdělení metod plemenitby sPodle podobnosti rodičů a potomků mHeteróza I Rozdělení metod plemenitby Heteróza: Specifická kombinační návaznost Náhodná kombinace - užitková křížení Specifická kombinační návaznost > Selekce linií >Rekurentní selekce >Reciproká rekurentní selekce i Užitková křížení >Jednoduché >Vícenásobné >Mezidruhové Šlechtění ^Šlechtitelské programy SHybridizační programy