זיהוי הגן בכרומוסום 6 בבקר האחראי ליצור חלבון ושומן בחלב

מיכה רון, יהודה ולר ו-א. סרוסי

המכון לבע"ח, מינהל המחקר החקלאי

 

תכנית מספר: 364-0175-04

דו"ח סופי להנהלת ענף בקר

מבוא
מטרת המחקר
תוצאות
מיפוי השוואתי
קביעת סדר הגנים באזור הגן הכמותי
ביטוי הגנים המועמדים בבלוטת החלב
איתור הגן
סיכום ומסקנות
איור 1- מיקום הגן הכמותי בכרומוזום 6, מיפוי לפי מקטעים

מבוא
ע"י סריקת גנום אוכלוסיית בקר לחלב לפי מבנה ניסוי של "בתי-אב" מצאנו מספר גנים מתפצלים המשפעים על תכונות כלכליות.  ההשפעה החזקה ביותר שנמצא, יחסית לסטיית התקן הפנוטיפי, הייתה השפעה על ריכוז חלבון הנמצאת קרוב לאמצע של כרומוזום 6.  הגן הזה כנראה מתפצל באוכלוסיות בקר הולשטיין נוספות (ארה"ב, בריטניה, גרמניה, הולנד, קנדה) וגם בזן איירשיר הפיני (רון ושת', 2001).  יש לגן השפעה מובהקת על כל תכונות ייצור חלב, וכן על האינדקס הטיפוח הישראלי, 00PD.  בישראל, מתוך תשע פרים שנבדקו, נמצאו שני פרים הטרוזיגוטים לגן הכמותי בכרומוזום 6, מפי וגולית.  כדי לקבוע מיקום הגן והשפעתו, נקבעו גנוטיפים עבור 683 בנות מפי ו-283 בנות גולית ל-11 סמנים בכרומוזום 6.  מיקום הגן והשפעתו נקבעו לפי שיטת מיפוי לפי מקטעים (Interval mapping). ההשפעות של הגן על תכונות ייצור חלב בבנות מפי וגולית מופיעות בטבלה 1.  ההשפעה על ריכוז חלבון קרוב לסטיית תקן פנוטיפית.  תוצאות המיפוי לפי מקטעים של בנות מפי ובנות גולית. בשתי המשפחות, שיא ההשפעה נמצא קרוב מאוד לסמן  .BM143 רווח האמינות למיקום הגן לפי ההשפעה על אחוז חלבון היה 4 יחידות מיפוי.

טבלה 1. ההשפעות של הגן בכרומוזום 6 על תכונות ייצור חלב בבנות מפי וגולית.

 

התכונה

השפעת החלפת אלל אחד בסמן BM143

 

מפי

גולית

ק"ג חלב

-138

-272

ק"ג שומן

4.0

3.4

ק"ג חלבון

2.8

-1.2

% שומן

0.073

0.108

% חלבון

0.061

0.067

 

למרות שדגם ההשפעות בשני הפרים דומה מאוד, לא נמצא דמיון בין הפרים לאללים של הסמנים שנבדקו.  לשני הפרים היו ארבעה אללים שונים עבור הסמן 143BM, שנמצא קרוב מאוד לשיא העקומה של הגן הכמותי.  הייחוסים של שני הפרים נבדקו אחורה לשלושה דורות, ולא נמצאו קשרים גנטיים ביניהם. 

ניתן לקבוע הפלוטיפים מצומצמים (אחד עד חמש יחידות מיפוי) הכוללים את הגן הכמותי. מספר מחקרים כבר הראו שבמרווחים של יחידות מיפוי בודדות קיים חוסר שיווי משקל בתאחיזה ברמת האוכלוסייה (רייקט ושות', 1999).  כלומר צרופים מסוימים של אללים נפוצים יותר מאשר צפוי לפי ההנחה של שיווי משקל בתאחיזה.  הנחת היסוד של המחקר הנוכחי היא שבאוכלוסיית הבקר הישראלי קיים מספר קטן של הפלוטיפים סביב הגן הכמותי, וניתן יהיה לשייך את האללים של הגן הכמותי לכל הפלוטיפ.  איתור הגן ייעשה במירווח של ההפלוטיפ.

מטרת המחקר

מטרת המחקר לאתר את הגן הכמותי על כרומוסום 6 בבקר המשפיע על % חלבון בחלב.

תוצאות
 
מיפוי השוואתי

על בסיס הדמיון הרב ברצף הגנים וארגונם בין בקר, אדם ועכבר הרכבנו רשימת גנים באזור הגן הכמותי בכרומוזום 6. אתרנו 13 מוטציות בעשרה גנים. טבלה מספר 2 מציגה את סוגי המוטציות ומיקומן בגנים, וכן את אורכי המקטעים אשר רוצפו בכל גן, לצורך איתורן.

 

טבלה 2-  איתור מוטציות בגנים מועמדים, באזור הגן הכמותי בכרומוזום 6.

קביעת סדר הגנים באזור הגן הכמותי

באמצעות מיפוי פיזיקאלי נבנתה מפה משוערת של סדר הגנים בבקר (מפה מספר 1). נמצא כי סדר הגנים המשוער בבקר, זהה לסדר הגנים הקיים באדם. הגנים SPP1, IBSP, LAP3 שימשו כ"גנים של עוגן" לאזורים מקבילים של כרומוזום 4באדם.

מפה מספר 1- סדר הגנים ומיקומם באזור הגן הכמותי בכרומוזום 6.

דנ"א של הפרים מפי וגולית, אשר הינם הטרוזיגוטים לגן הכמותי, שימש כתבנית לאיתור המוטציות. הפלוטיפים משותפים של הפרים מופיעים בצידה הימני של המפה (מסומנים באדום וכחול). 2 האללים של כל סמן מצוינים במספרים 1 או  2 כאשר המספר 1 ניתן לאלל השכיח.

ביטוי הגנים המועמדים בבלוטת החלב
8 גנים נבדקו על ידי Real Time PCR לביטוי ברקמת עטין של פרה בשלבים שונים של התחלובה. כביקורת נבדקו הגנים גם בכבד של פרה באותם השלבים. רק בשני גנים SPP1 ו-ABCG2 הביטוי בבלוטת החלב היה דיפרנציאלי עם התקדמות התחלובה (איור 3).
איתור הגן
במהלך סריקת הגן ABCG2 נמצאה מוטציה באקסון מס' 14 המשנה חומצה אמינית תירוזין לסרין בעמדה 581. המוטציה נמצאה בהתאמה מלאה לאנליזה הסטטיסטית של הגן הכמותי.
שני הפרים מפי וגולית נמצאו הטרוזיגוטים למוטציה וחולקים מקטע כרומוזומלי משותף המכיל את האלל המעלה אחוז חלבון.
שבעת הפרים הנוספים נמצאו הומוזיגוטים כפי שנצפה בהתפצלות לגן הכמותי.
המוטציה גורמת לשינוי בחומצה אמינית אשר יכולה לגרום לשינוי במבנה החלבון.
השפעתו של עותק האלל המעלה את כמות המוצקים בחלב על האומדנים הגנטיים של 335 פרים ישראלים היו 341- ק"ג חלב, 0.16%+ שומן ו-0.13%+ חלבון.
שכיחות עותק האלל המעלה באוכלוסיית הבקר הישראלית בשנת 2002 הינה 0.77  (איור מספר 2).
השפעת המוטציה על אומדני ההורשה של הפרים עבור תכונות ייצור חלב היתה מובהקת מאוד עבור כל התכונות והגבוהה ביותר עבור אחוז חלבון ביחס לשאר המוטציות שנבדקו (p<0.0001) (טבלה מספר 3).
הגן ABCG2 התבטא עד פי 25 בבלוטת החלב במהלך הלקטציה, בהשוואה לבלוטת הכבד בתקופה זו (איור מספר 3).

טבלה 3. השפעת החלפת אלל בגן ABCG2 על תכונות ייצור חלב.

ק"ג חלב

אחוז חלבון

אחוז שומן

 
520 0.2 0.2 ABCG2exon14

איור 2.  שכיחות האלל המעלה של הגן ABCG2 וממוצעי אומדני התורשה עבור % שומן וחלבון לפי שנת הלידה של כלל הפרות בעדר הלאומי.   ──, שכיחות האלל המעלה;  ─ ─, א"ת % שומן; , א"ת % חלבון.

שכיחות האלל המעלה ירדה מ- 0.75 בשנת 1982 ל- 0.62 בשנת 1990 ועלתה ל- 0.77 בשנת 2002. שינויים גנטיים אלן נגרמו בתגובה לשינויים באינדקס הטיפוח הישראלי אשר בוסס על יצור חלב עד שנת 1990 ולאחריו התבסס על יצור חלבון ומשקל שלילי על יצור חלב.

 

איור 3. רמת הביטוי של הגנים ABCG2 ו- SPP1 בבלוטת חלב וכבד כפונקציה של ימים בתחלובה

סיכום ומסקנות

       הגן ABCG2 המעלה את שיעור המוצקים בחלב הוא הגן הכמותי הראשון שמצאנו והשני שאותר בעולם.          

       איתור השינוי ברצף הגן מהווה הישג טכנולוגי, יחד עם זאת מנגנון הפעולה של הגן עדיין אינו ברור.

       הפוטנציאל הגנטי והכלכלי של איתור הגן הוא היכולת לבצע סלקציה ישירה של הגן ברמת האוכלוסייה.

     היות ושכיחותו של האלל המעלה את שיעור המוצקים בחלב הוא כ- 0.8 באוכלוסייה הנוכחית של ההולשטיין הישראלי והאמריקאי, עליה נוספת בתדירות האלל הרצוי, כבר לא תגרום לשינוי גנטי משמעותי.

      סלקציה ישירה על גנים בעלי ערך כלכלי ניתנת למימוש בקווי בקר שבהם קיים פער בין שכיחות עותק הגן הרצוי והמצוי.

תדירות האלל המעלה באוכלוסיה הישראלית, משקפת את יעילות מערך הטיפוח הקלאסי לתכונות האינדקס. יחד עם זאת, איתור גנים לתכונות כלכליות עם תורשתיות נמוכה, כמו פוריות, עשוי להביא להתקדמות גנטית ייחודית שאינה נמצאת בתחרות עם הטיפוח הקלאסי.
רשימת פרסומים בנושא המחקר

 Cohen, M., Seroussi, E., Ron, M., Reichenstein, M., Plis-Finarov, A., Shani, M., and Weller, J. I. (2002)
      Population-wide linkage disequlibrium between a SNP and a QTL affecting milk protein production on BTA6 in dairy cattle.

      Proc. 7th World Cong. Genet. Appl. Livest. Prod.  Montpellier, France.  31; 51-54.

 

 Cohen, M., Seroussi, E., Ron, M., Reichenstein, M., Plis-Finarov, A., Shani, M., Weller, J. I.  (2002a)

      Population-wide linkage disequilibrium between a SNP and a QTL affecting milk protein production one bovine chromosome 6 in Israeli-Holsteins.

      28th Internat. Conf. Anim. Genet. 163.

 

 Cohen, M., Reichenstein, M., Jun Heon-Lee, Van der wind A., Lewin H.A., Seroussi, E., Ron, M., and Weller, J. I.  (2004)

      Population-wide linkage disequlibrium between a SNP and a QTL affecting milk protein production on BTA6 in dairy cattle.

      Plant and Animal genomes XII, P645. San Diego, USA. 

 

 Cohen M., Reichenstein M., Everts-van der Wind A., Heon-Lee J., Shani M., Lewin H.A., 

     Weller J.I., Ron M., and Seroussi E. (2004). Cloning and characterization of FAM13A1- a

     gene near a milk protein QTL on BTA6: evidence for population-wide linkage-

     disequilibrium in Israeli Holsteins.Genomics 84(2):374-83.

 

 Cohen M., Seroussi E., Band M., Lewin H., Drackley J.K., Larkin D.M., Everts-van der-WIND

     A., Lee J.H., Loor J., Shani M., Weller J.I. and Ron M. (2005). 

    SPP1 is a candidate gene for the QTL affecting milk protein concentration on BTA6 based

    on population-wide linkage disequilibrium, differential expression, and targeted inhibition.

    29th Conference of the International Society for Animal Genetics, Japan. Awarded as the

    best poster in the International Society of Animal Genetics meeting.

 

 Cohen-Zinder M., Seroussi E., Shani M., Weller J.I. and Ron M. (2005). 

     Identification of a missense mutation in the bovine ABCG2 gene with a major effect on  

      the QTL on chromosome 6 affecting milk yield and composition in Holstein cattle.

     17th Ruminant Science Conference, Jerusalem, Israel.

 

 Cohen-Zinder M., Seroussi E., Larkin D.M., Loor J.I., Everts-van der Wind A., Huon-Lee J.,

      Drackley J.K., Band M.R., Shani M., Lewin H.A., Weller J.I., and Ron M. (2005)

      Identification of a missense mutation in the bovine ABCG2 gene with a major effect on  

      the QTL on chromosome 6 affecting milk yield and composition in Holstein cattle.

     Genome  Research 15: 936-944.

 

 Israel, C. and Weller, J. I. (2002)

      Estimation of quantitative trait loci effects in dairy cattle populations.

      J. Dairy Sci.  85; 1285-1297.

 

 Israel, C. and Weller, J. I. (2004)

      Effect of type I error threshold on marker-assisted selection in dairy cattle

      Livest. Prod. Sci. 85; 189-199.

 

 Ron, M., Feldmesser, E., Golik, M., Tager-Cohen, I., Kliger, D., Reiss, V., Domochovsky, R.,    

      Alus, O., Seroussi, E., Ezra, E., and Weller, J. I. (2004)

      A complete genome scan of the Israeli Holstein population for quantitative trait loci by a 

      daughter design

      J. Dairy Sci. 87(2):476-90.

 

 Ron, M., Kliger, D., Feldmesser, E., Seroussi, E., Ezra, E., and Weller, J. I. (2001)
      Mapping of genes for production traits on cattle chromosome 6.    

      Meshek Habakar Vehahalav 291; 7-11. (In Hebrew).

 

 Weller, J. I., Weller, H., Kliger, D., and Ron, M. (2002) 

      Estimation of quantitative trait locus allele frequency via a modified granddaughter design. 

      Genetics 162; 841-849.

 

 Weller J.I., Shlezinger M., and Ron M. (2005)
      Correcting for bias in estimation of quantitative trait loci effects.
      Genetics Selection Evolution (In press).

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