Genominen jalostus tulee: Tutkimus lonkkanivelen kasvuhäiriöstä


Katariina Mäki 2011



Geeniteknologia eri ominaisuuksia säätelevien geenien tunnistamisen muodossa alkaa nykyisin olla jo rutiinia koiraväellekin. Enää ei kuitenkaan ole välttämätöntä "löytää" itse geeniä: nyt skannataan koko perimä läpi ja selvitetään mitkä DNA:n emäskohdat vaikuttavat ominaisuuteen eniten. Emäskohtien perusteella voidaan määrittää eläimen genominen jalostusarvo.



SNP-teknologia tutkii DNA:ta emästasolla


DNA koostuu neljän emäksen - adeniinin (A), sytosiinin (C), tymiinin (T) ja guaniinin (G) - muodostamasta parittaisesta ketjusta. Emäsjärjestystä kutsutaan sekvenssiksi. Kun sekvenssissä tapahtuu pistemutaatio, yksi ketjun emäksistä muuttuu. Esimerkiksi AACGTTATCGTGGTCCA voi muuttua muotoon AAGGTTATCGTGGTCCA.


Mutaatio voi olla harmiton, tai se voi olla hengenvaarallinen. Esimerkiksi sikiönkehitystä säätelevän geenin muuttuminen voi olla kohtalokasta. Mutaatiolla voi myös olla vaikutusta, vaikka se ei muuttaisikaan itse geeniä, vaan ainoastaan sen säätelyaluetta. Siksi pelkkien geenien tunnistaminen ja tutkiminen ei aina avaa koko kuvaa kyseessä olevasta ominaisuudesta. Geenit kattavat vain muutaman prosentin yksilön perinnöllisestä materiaalista eli genomista. Muun osuuden luultiin aiemmin olevan pelkkää mitäänsanomatonta täytettä, mutta se saattaakin sisältää esimerkiksi kohtia, jotka toimivat geenien säätelyssä. Koko genomi on koiralla noin 2,5 miljardin emäsparin pituinen, sisältäen noin 25.000 geeniä.


SNP-paikat ovat pistemutaation aiheuttamia, sittemmin yleistyneitä genomin muutoskohtia (SNP; single nucleotide polymorphism), joista yksilön genomia voidaan lukea emästasolla kokonaisten geenien sijaan. Genomin lukemiseen ovat kaupalliset yritykset kehittäneet SNP-siruja, joita käyttämällä voidaan selvittää yksilön genotyyppi tietyissä SNP-paikoissa. Sirujen avulla saadaan selville, onko yksilön tietyssä SNP-paikassa emäs A vai onko se kenties emäs C. Jos käytettävissä on lisäksi tarkkoja arvioita yksilöiden genotyypeistä, kuten suureen sukulaistulosten määrään perustuvia jalostusindeksejä, on myös mahdollista selvittää, mitkä SNP-paikat vaikuttavat eniten kyseessä olevaan ominaisuuteen. Tärkeimpien paikkojen perusteella saadaan määritettyä eläimelle ominaisuuden genominen jalostusarvo.


Genominen valinta on uusinta uutta tuotantoeläinten jalostuksessa. Suomi on perustanut Ruotsin ja Tanskan kanssa yhteisprojektin genomisen valintaohjelman kehittämiseksi lypsyrotuisille naudoille, joilla on tällä hetkellä suomalaisessa indeksilaskennassa noin kuusikymmentä jalostettavaa ominaisuutta. Tietoa sonnien genomisesta jalostusarvosta on käytetty Suomessa ensimmäistä kertaa heinäkuussa 2009. Myös sikoja tyypitetään paraikaa. Kun tarpeeksi eläimiä on tyypitetty, voidaan arvioida eri SNP-paikkojen vaikutukset jalostettaviin ominaisuuksiin sekä ensimmäiset genomiset jalostusarvot.



Genominen valinta täydentämään nykymenetelmiä - koirillekin?


Lonkkanivelen kasvuhäiriö on monitekijäinen ominaisuus, jota säätelee suuri joukko geenejä. Näistä 10-20 näyttää olevan tarpeeksi suurivaikutteisia, jotta ne voitaisiin tunnistaa. Kovasti ja pitkään tätä on yritettykin. Silti vasta yksi geeni, fibrillin 2, on tunnistettu. Geenien tunnistaminen ei kuitenkaan ole edellytyksenä genomiselle valinnalle, ja eipä perinnöllinen edistyminen nykymenetelmienkään avulla ole siitä kiinni.


Kiinalais-yhdysvaltalais-englantilainen tutkimusryhmä julkaisi tammikuussa tutkimuksen, jonka mukaan koiran lonkkanivelen rakennetta säätelevien geenien laatu voitaisiin melko luotettavasti selvittää SNP-paikkojen perusteella tehtävän genomianalyysin avulla. Koiran SNP-genotyypin määrittäminen verinäytteestä mahdollistaisi riskiyksilöiden tunnistamisen jo pentuna, jolloin nivelrikon etenemistä voitaisiin ehkäistä tai hidastaa. Myös jalostus hyötyisi pentuiällä tehtävästä testauksesta. Genominen valinta onkin käyttökelpoisinta ominaisuuksissa, joita on vaikea mitata ja jotka tulevat esiin vasta myöhemmällä iällä.


Tutkimuksessa oli mukana yhteensä 397 koiraa kuudesta rodusta. Kaikkien koirien tiedot yli koko genomin luettiin 22.000 emäspaikkaa sisältävillä SNP-siruilla. Seuraavaksi arvioitiin yksittäisten SNP-paikkojen vaikutusta lonkkanivelen kasvuhäiriöön. Apuna käytettiin lonkkamaljan syvyyttä kuvaavan Norbergin kulman perusteella laskettuja jalostusindeksejä (BLUP). Koiran indeksiä pystyttiin ennustamaan melko luotettavasti 100-500 suurivaikutteisimman SNP-paikan avulla: indeksin ja genomisen jalostusarvon välinen korrelaatio oli 0,7. Näihin tärkeimpiin SNP-paikkoihin perustuen kehitettiin kaikille roduille soveltuva genomisen jalostusarvon laskenta.


Tutkijat totesivat kuitenkin, että tarvittaisiin tehokkaampia, genomia tiheämmin kartoittavia SNP-siruja, jotta kaikki lonkkanivelen kasvuhäiriötä säätelevät genomin kohdat olisi saatu esiin. Nisäkkäillä on satojatuhansia SNP-paikkoja, ja nyt päästiin siis tutkimaan vain 22.000 paikkaa. Paikkoja olisi pitänyt kultakin koiralta lukea vähintään 125.000, mikä ei tutkimuksessa ollut mahdollista.


Luettavien paikkojen lukumäärää rajoittavat ensisijaisesti sirujen kehitys ja hinta: yhä tehokkaampia siruja on tulossa markkinoille, ja tehokkuus kulkee tietysti käsi kädessä hinnan kanssa. Ihmisellä sirut lukevat jopa miljoona SNP-merkkiä kerralla. Lisäksi yhden sirun avulla voidaan samanaikaisesti määrittää usean yksilön genotyypit.



Genominen jalostusarvostelu vaatii suuret aineistot ja paljon työtä


SNP-kartoituksen hinta on kymmenessä vuodessa kutistunut kymmenesosaan. 54.000 SNP-paikan määritys yhdeltä eläimeltä maksaa nykyisin muutaman sadan euron verran. Tulevaisuudessa kartoitus tullee vielä edullisemmaksi. Genomisen jalostusarvolaskennan edellytyksenä on kuitenkin tarkkojen jalostusindeksien saatavuus mahdollisimman suuresta määrästä eläimiä sekä näistä samoista eläimistä kerättävä SNP-aineisto, joiden avulla eri emäskohtien vaikutukset voidaan arvioida. Nautakarjapuolella genomiarvostelun tarkkuus on suuri: holstein-rodun arvostelussa käytetään 18.000 sonnin ja pohjoismaisen punaisen nautarodun arvostelussa yli 8.000 sonnin vertailuryhmää.


Tulevaisuudessa genominen valinta vähentänee jälkeläisarvostelun tarvetta, jolloin kustannukset siltä osin pienenevät - tämä tehostaa erityisesti tuotantoeläinten jalostusta. Tällä hetkellä näyttää kuitenkin siltä, että jälkeläisarvostelusta ei koskaan voida luopua kokonaan. Genominen jalostusarvo voidaan kyllä määrittää eläimille, joilla ei ole omia tai sukulaisten fenotyyppituloksia, mutta se ei ole yhtä luotettava. Genomista jalostusarvolaskentaa onkin jatkuvasti säädettävä arvosteluvarmuudeltaan korkeiden jalostusindeksien avulla. Genominen valinta on siis tulossa täydentämään nykyisiä jalostusarvostelumenetelmiä, ei korvaamaan niitä. Tulevaisuuden jalostusindeksit koostunevat sekä omiin ja sukulaisten tuloksiin perustuvista BLUP-indekseistä että SNP-tiedosta koostetusta genomisesta jalostusarvosta.


Genomisesta valinnasta on hyötyä, kun ominaisuutta on hankala mitata ja sen periytymisaste on hyvin pieni. Se on ainakin nykymuodossaan turhaa ominaisuuksissa, joissa eläimen oma ilmiasu kertoo melko tarkasti sen genotyypistä. Lonkkanivelen kasvuhäiriö on tällainen ominaisuus: sillä on tyypillisesti melko korkea periytymisaste. Tällaisissa ominaisuuksissa saavutetaan perinnöllistä edistymistä nykymenetelminkin, kunhan koirien jalostusvalinta tehdään systemaattisesti, populaation paremmasta puoliskosta.



Lähde


Guo ym. 2011. Canine Hip Dysplasia is Predictable by Genotyping. Osteoarthritis and Cartilage. doi:10.1016/j.joca.2010.12.011