דוח לתכנית מחקר מספר 362-0250-10

 

מיפוי עדין ואיתור הגן המשפיע על ייצור שומן וחלבון החלב על כרומוסום מספר 7 בבקר

 

מוגש להנהלת ענף בקר

ע"י

מיכה רון           מכון בע"ח, מינהל המחקר החקלאי

איל סרוסי          מכון בע"ח, מינהל המחקר החקלאי

יהודה ולר         מכון בע"ח, מינהל המחקר החקלאי

 

רשימת פרסומים

רון, מ., ולר י., ועזרא, א. (2008) מהפכה בטיפוח בקר לחלב.  משק הבקר והחלב 336: 50-53.

רון מ., א. שירק, ג. גליק, א. עזרא, י. זרון ו-י. ולר (2011) אנליזה גנטית של פרות ופרים באמצעות

שבבי דנ"א לניהול וטיפוח. משק הבקר והחלב (בדפוס).

 

2.1.1 תקציר

הצגת הבעיה: בסריקה ראשונית של כרומוסום 7 לפי סמנים של שינוי בנוקליאוטיד בודד (SNP), נקבעו גנוטיפים עבור 380 פרים ישראלים עם אומדני תורשה עבור כל התכונות הכלולות באינדקס הטיפוח הישראלי.  ההשפעה החזקה ביותר נמצאה על ריכוז חלבון, אך נמצאו השפעות מובהקות באותם הסמנים, rs29013512 ו- rs29013511, גם על כמות חלב חלבון ושומן.  האלל החיובי, המעלה ריכוז וכמות חלבון ושומן, הוא האלל הנדיר יותר, ונמצא בתדירות של 0.05 באוכלוסיה הישראלית.  לכן, האופק לסלקציה הוא רב, וכך גם הפוטנציאל לפטנט ולמימוש מסחרי של התגלית בעולם.

מטרות המחקר: לבצע מיפוי עדין יותר של האזור ע"י קביעת גנוטיפים עבור סמנים נוספים, ולאתר את הפולימורפיזם הספציפי בגן האחראי להשפעה על התכונות הכלכליות. 

שיטות ומהלך העבודה: בעבודה קודמת נבדקו 231 סמני SNP על כרומוסום 7.  בעבודה הנוכחית נבדקו 910 פרים ל-54,000 סמנים באמצעות השבב של אילומינה.  2000 סמנים נמצאו על כרומוסום 7. כל סמן נותח לבד עבור עשר תכונות: יבול חלב, שומן וחלבון, ריכוז שומן וחלבון, ריכוז תאים סומאטיים, פוריות נקבית, הישרדות, שיעור תאומים, ואינדקס הטיפוח הישראלי.  נדגמו 5 משפחות פרים חדשים להגדלת עוצמת החיפוש אחר הגן הכמותי.

תוצאות עיקריות: 3 מבין 11 משפחות בתי-אב נמצאו מתפצלים לריכוז תאים סומאטיים במובהקות של 0.001, 3 פרים התפצלו להתמדה בתנובת החלב במובהקות של 0.00003 ופר יחיד התפצל לאחוז החלבון בחלב במובהקות של 0.003. כתוצר לוואי של הסריקה נמצא QTL המשפיע על פוריות נקבית, הנמדדת כאחד חלקי מספר ההזרעות להתעברות, בקצה הצנטרומרי של כרומוזום 7 במירווח של 0 עד 27 יחידות מפה.  5 מתוך 10 משפחות בתי-אב באוכלוסיה הישראלית שנבדקו נמצאו הטרוזיגוטיות ל-QTL. נבדקו 287 סמני SNP על מחצית כרומוסום 7, הקרובה לצנטרומר, ל-380 עד 650 פרים. ו-704 סמנים ל-910 פרים באמצעות השבב של אילומינה. רק סמן יחיד NGS-58879 עמד במבחן התאמה (Concordance)  כלומר היה הטרוזיגוט ל-5 הפרים ההטרוזיגוטים ל-QTL והומוזיגוט ליתרת הפרים. לסמן זה נמצאה השפעה מובהקת של 1% לפוריות במדגם של 910 פרים שנבדקו באמצעות השבב של אילומינה (0.00001). מדגמים של בנות ל-5 הפרים ההטרוזיגוטים נבדקו לגבי הפלוטיפ הסמן עם ה-QTL. נמצא הפלוטיפ אחיד ב-4 הפרים מתוך 5. לפיכך נמצאה התאמה ב-9 מתוך 10 פרים.  שונות במספר עותקים (CNV) נמצאה בגן KIAA1683 הנמצא בקרבת NGS-58879. לפר ההטרוזיגוט שהראה קשר הפוך עם ה-QTL היה צירוף ייחודי של CNV.

מסקנות והמלצות לגבי יישום התוצאות: לבדוק גנים מועמדים באזור.

 

2.2 מבוא

 

 

רון ושות' (2004) סרקו את גנום עדר הבקר הישראלי לפי מבנה ניסוי של "בתי-אב".  בכרומוסום 7 נמצאו השפעות מובהקות עבור כל התכונות הכלולות באינדקס הטיפוח הישראלי.  וולר ושות' (2008) בצעו מיפוי עדין של השפעות אלה לפי אותו מבנה ניסוי ע"י קביעת גנוטיפים לסמנים נוספים בכרומוסום 7.  כדי לבצע מיפוי עדין יותר של הגנים הכמותיים החלטנו לבצע סריקה נוספת לפי שיטת "מיפוי בעזרת חוסר שיווי משקל בתאחיזה" (linkage disequilibrium mapping), הדורש קביעת גנוטיפים במספר רב יותר של סמנים בצפיפות גבוהה לאורך הכרומוסום.

בסריקה ראשונית של כרומוסום 7 לפי סמנים של שינוי בנוקליאוטיד בודד (SNP), נקבעו גנוטיפים עבור 380 פרים ישראלים עם אומדני תורשה עבור כל התכונות הכלולות באינדקס הטיפוח הישראלי.  ההשפעה החזקה ביותר נמצאה על ריכוז חלבון, אך נמצאו השפעות מובהקות באותם הסמנים, rs29013512 ו- rs29013511, גם על כמות חלב חלבון ושומן.  נמצאו השפעות כמעט זהות עבור שני סמנים בקרבה לאתר הממוקם 40 מיליון בסיסים מהתחלת הכרומוסום.  המרחק בין הסמנים היה רק 3300 בסיסים, ונמצאה תאחיזה חזקה מאוד בין שני הסמנים.  ההשפעות של החלפת אלל לייצור שומן וחלבון הן 17 ו-12 ק"ג בהתאמה.  ההשפעה של הגן על חלב הוא בכיוון הפוך להשפעה על יבול שומן וחלבון.  לכן, ההשפעות על ריכוז שומן וחלבון, 0.18 ו-0.15% בהתאמה, הן המובהקות ביותר.  שיעור מובהקות ההשפעה על ריכוז חלבון הייתה פחות מאחד למיליון.  ההשפעה של rs29013512 על אומדני התורשה של הפרים מוצגת באיור 1.  לסמן יש השפעה מובהקת גם על אינדקס הטיפוח הישראלי.

האלל החיובי, המעלה ריכוז וכמות חלבון ושומן, הוא האלל הנדיר יותר, ונמצא בתדירות של 0.05 באוכלוסיה הישראלית.  לכן, האופק לסלקציה הוא רב, וכך גם הפוטנציאל לפטנט ולמימוש מסחרי של התגלית בעולם.  הגן הזה לא התגלה בסריקות של רון ושות' (2004) וולר ושות' (2008) בגלל שכל הפרים בסריקה שלהם היו הומוזיגוטים לאלל הנפוץ.  מטרות המחקר הנוכחי לבצע מיפוי עדין יותר של האזור ע"י קביעת גנוטיפים עבור סמנים נוספים, ולאתר את הפולימורפיזם הספציפי בגן האחראי להשפעה על התכונות הכלכליות. 

 

2.3 מטרות המחקר

לבצע מיפוי עדין יותר של האזור ע"י קביעת גנוטיפים עבור סמנים נוספים, ולאתר את הפולימורפיזם הספציפי בגן האחראי להשפעה על התכונות הכלכליות. 

 

2.4 חשיבות המחקר

האלל החיובי, המעלה ריכוז וכמות חלבון ושומן, הוא האלל הנדיר יותר, ונמצא בתדירות של 0.05 באוכלוסיה הישראלית.  לכן, האופק לסלקציה הוא רב, וכך גם הפוטנציאל לפטנט ולמימוש מסחרי של התגלית בעולם.

 

2.5 פירוט עיקרי הניסויים

נבדקו 231 סמני SNP על כרומוסום 7.  חלק מהסמנים נבדקו על מדגם נוסף של 300 פרים חדשים.  כל סמן נותח לבד עבור עשר תכונות: יבול חלב, שומן וחלבון, ריכוז שומן וחלבון, ריכוז תאים סומטיים, פוריות נקבית, הישרדות, שיעור תאומים, ואינדקס הטיפוח הישראלי.  גודל ומובהקות ההשפעות על התכונות הכמותיות נקבעות לפי המודל הקווי הבא:

 

 

כאשר:

BVi = אומדן התורשה של הפר i,  

S = הגנוטיפ של הפר לסמן, כאשר להטרוזיגוט יש ערך 1, ולשני ההומוזיגוטים ערכים של 0 ו-2,

BY = שנת הלידה של הפר,

ei = השארית הלא מוסברת.

 

נמצאו השפעות מובהקות על מספר סמנים עבור כל התכונות הכלולות באינדקס הטיפוח, ונמצאו סמנים נוספים באזור הגן עם השפעות מובהקות על תכונות יבול חלב.  מובהקות ההשפעות של כל הסמנים באזור הגן הכמותי מופיעות בטבלה 1.  כמו כן מופיעים מיקום הסמנים, מספר הפרים עם גנוטיפים עבור כל סמן ותדירות האלל הנפוץ יותר, והמובהקות עבור פוריות נקבית, שהיו גם חזקות מאוד באזור הכרומוסומלי הזה.   

 

טבלה 1.  מובהקות השפעות הסמנים באזור 40,000,000 בסיסים על כרומוסום 7 לתכונות יבול חלב.

 

כל הסמנים האלה, פרט ל-rs29013511  ו- ,rs43511131נבדקו על המדגם השני של פרים, ולכן מספר הפרים עם גנוטיפים נע בין 339 ל-696.  בנוסף לשני הסמנים rs29013512 ו- rs2901351, שנבדקו לפני התחלת המחקר, נמצא סמן נוסף, 96050, הקרוב מאוד לסמן rs29013512 ויש לו השפעות חזקות מאוד על ריכוז שומן וחלבון.  עבור כל שלושת הסמנים תדירות האלל הנפוץ, השלילי מבחינה כלכלית, היה מעל 90%.  לעומת זאת, עבור חמשת הסמנים הנוספים שנבדקו בין rs29013512 ו- rs29013511היו השפעות פחות מובהקות על ריכוז שומן וחלבון.  כמו כן ההשפעות דעכו מחוץ לתחום בין הסמנים rs29013512 ו- .rs29013511  כאמור, באזור הכרומוסומלי הזה נמצאה גם השפעה חזקה על פוריות נקבית. לא ברור אם גן אחד משפיע על כל התכונות, או קיימים שני גנים, כאשר אחד משפיע על תכונות חלב והשני משפיע על פוריות.  באזור הזה נמצא גם רצף חסר/תוספת של שמונה בסיסים (Indel) שנמצא בתאחיזה חזקה עם הסמנים rs29013512 ו-rs29013511.

ההוכחה החזקה ביותר שנמצא הפולימורפיזם האחראי הוא "התאמה" (concordance) בין הגנוטיפים לסמן ובין הגנוטיפ לגן הכמותי עבור פרים שהגנוטיפ שלהם עבור הגן הכמותי נקבע לפי מבנה ניסוי של "בתי-אב".   כאמור, כל 11 הפרים בסריקה של רון ושות' (2004) היו הומוזיגוטים לאלל הנפוץ של הגן הכמותי.  כמו כן כל הפרים האלה היו גם הומוזיגוטים לאללים הנפוצים של הסמנים rs29013512 ו- ,rs29013511 להוציא פר אחד, גנדי. 

 

2.5.1  המשך המחקר 

בעבודה הנוכחית נבדקו 910 פרים ל-54,000 סמנים באמצעות השבב של אילומינה.  2000 סמנים נמצאו על כרומוסום 7. כל סמן נותח לבד עבור עשר תכונות: יבול חלב, שומן וחלבון, ריכוז שומן וחלבון, ריכוז תאים סומאטיים, פוריות נקבית, הישרדות, שיעור תאומים, ואינדקס הטיפוח הישראלי.  3 מבין 11 משפחות בתי-אב נמצאו מתפצלים לריכוז תאים סומאטיים במובהקות של 0.001, 3 פרים התפצלו להתמדה בתנובת החלב במובהקות של 0.00003 ופר יחיד התפצל לאחוז החלבון בחלב במובהקות של 0.003.  נדגמו 5 משפחות פרים חדשים להגדלת עוצמת החיפוש אחר הגן הכמותי. כתוצר לוואי של הסריקה נמצא QTL המשפיע על פוריות נקבית, הנמדדת כאחד חלקי מספר ההזרעות להתעברות, בקצה הצנטרומרי של כרומוזום 7 במירווח של 0 עד 27 יחידות מפה (איור 1).  5 מתוך 10 משפחות בתי-אב באוכלוסיה הישראלית שנבדקו נמצאו הטרוזיגוטיות ל-QTL. נבדקו 287 סמני SNP על מחצית כרומוסום 7, הקרובה לצנטרומר, ל-380 עד 650 פרים. ו-704 סמנים ל-910 פרים באמצעות השבב של אילומינה. רק סמן יחיד NGS-58879 עמד במבחן התאמה (Concordance)  כלומר היה הטרוזיגוט ל-5 הפרים ההטרוזיגוטים ל-QTL והומוזיגוט ליתרת הפרים. לסמן זה נמצאה השפעה מובהקת של 1% לפוריות במדגם של 910 פרים שנבדקו באמצעות השבב של אילומינה (0.00001). מדגמים של בנות ל-5 הפרים ההטרוזיגוטים נבדקו לגבי הפלוטיפ הסמן עם ה-QTL. נמצא הפלוטיפ אחיד ב-4 הפרים מתוך 5. לפיכך נמצאה התאמה ב-9 מתוך 10 פרים.  שונות במספר עותקים (CNV) נמצאה בגן KIAA1683 הנמצא בקרבת NGS-58879. לפר ההטרוזיגוט שהראה קשר הפוך עם ה-QTL היה צירוף ייחודי של CNV.

 

איור 1: מיפוי לפי מירווחים ל-QTL לפוריות

 

 

 

סיכום עם שאלות מנחות:

 

לכל המבזקים....
office@milk.org.il פקס: 972-3-9564766 טל: 972-3-9564750 דרך החורש 4 , ת"ד 97, יהוד 5647003
מופעל באמצעות מעוף - מגוון אפקט