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Genetik - Genomik: Grundsätze

INHALT

Einleitung

Die Genetik ist die Wissenschaft von der Weitergabe von Merkmalen (Fähigkeiten oder Eigenschaften) von Eltern auf ihre Nachkommen. Das Ziel der Tierzucht ist, gewünschte Merkmale bei den Nachkommen durch eine gezielte Anpaarung ausgewählter Eltern zu verstärken. Um dieses Ziel zu erreichen, versuchen Züchter aufgrund beobachtbarer äusserer Erscheinungsbilder (Phänotyp) Rückschlüsse auf die Genetik von Zuchttieren zu ziehen. Der Phänotyp eines Zuchttieres wird aber nicht nur durch Gene, sondern auch durch Umwelteinflüsse bestimmt.

Grundsätzlich werden folgende Merkmale unterschieden:

  1. Qualitative (monogene oder oligogene) Merkmale
  2. Quantitative (polygene) Merkmale

Die Molekulargenetik eröffnet heute neue Perspektiven wie die Identifizierung von Genen und genetischen Markern und macht es möglich, komplexe erbliche Mechanismen zu analysieren und zu erklären. Die genetische Veranlagung eines Zuchttieres könnte somit aus diesen Erbinformationen direkt abgeleitet werden.

Molekulargenetik und Genomik

Unter Genomik versteht man die molekularbiologische Untersuchung der gesamten DNA-Information eines Individuums. Mit den neuen Sequenzierungstechniken kann die ganze „Buchstabenabfolge“ der DNA gelesen werden. Nach der künstlichen Besamung kann die Genomik einen weiteren Quantensprung in der Pferdezucht auslösen.

„Die gesteigerte Nachfrage nach gesunden tierischen Produkten bei knapper werdenden Ressourcen und zunehmendem ökonomischem und ökologischem Druck, wird als eine der grossen Herausforderungen für die Tierproduktion der nächsten Jahrzehnte angesehen. (…) Technischer Fortschritt im Bereich der Genomanalyse und der Datenverarbeitung erlaubt heute die direkte genetische Bewertung von Nutztieren auf Basis von Markergenen. (…) Technischer Fortschritt hat Konsequenzen: U.a. gilt es die genetische Vielfalt innerhalb und zwischen Nutztierrassen aus Gründen der Nachhaltigkeit zu erhalten (Zuchtfortschritt, Inzucht, Krankheitstoleranz, Erbfehler, Leistungsbereitschaft, Fruchtbarkeit, Anpassungsfähigkeit)“. (Hasler H. et al, 2009)

Kenntnisse der Genomik (strukturelle und funktionnelle Genomik) erlauben heute folgende Forschungsschwerpunkte (Bailey E 2015; Ibanez-Escriche N & Simianer H 2016):

  • Einzelgenanalyse für wirtschaftlich qualitative Merkmale (v.a. Abstammungsnachweis und Diagnostik zur Aufdeckung von monogenen Merkmalen: Erbkrankheiten, Fellfarbe, Ausdauer und Geschwindigkeit, Gänge)
  • Identifikation und Charakterisierung von QTL (Quantitative trait locus) und Genen mit gekoppelten DNA-Markern für quantitative Merkmale und komplexe Phänotypen: Leistung, Gesundheit, multifaktorielle Erkrankungen, Verhalten, usw.; Genomweite Assoziationsstudien (GWAS, genome-wide association studies) ermöglichen die Untersuchung der Korrelationen zwischen Phänotypen (z. B. polygene Erbkrankheiten) und Variationen des Genoms (SNP, Single Nucleotide Polymorphism). (Adam EN 2016; Willet CE & Wade CM 2015)
  • Genomische Selektion, genomische Zuchtwertschätzung (Zuchtwertschätzung mit vielen Markern, die über das gesamte Genom verteilt sind) und Optimierung von Zuchtprogrammen
  • Untersuchungen zur Expression, Funktion und Regulation ausgewählter Gene;  mRNA, Micro-RNA (Kim MC et al 2014), Epigenetik (Adam EN 2016; Chavatte-Palmer P et al 2016, Grandjean V 2010), funktionnelle Genomik
  • Charakterisierung und Analyse von Populationsstrukturen, um genetische Ressourcen und genetische Diversität wirkungsvoll zu erhalten (Bruford MW et al 2015; Heuer C et al 2016)
  • Untersuchungen zur Domestikation und Stammgeschichte der Pferdegattung (Phylogenetik); archäologische Equidenknochen, „alter DNA“ (Der Sarkissian C et al 2015; Librado P et al 2015; Metzger J et al 2015)
Herausforderungen

Mit den modernen molekulargenetischen Methoden können Korrelationen zwischen den Phänotypen und die Genvariationen untersucht werden. Will man die genomischen Zuchtwerte einführen, so muss die Zuchtpopulation entsprechend geeignet und die Finanzierung des Projektes sichergestellt sein. Zudem muss die Erhebung der phänotypischen Merkmale künftig stark verbessert werden, ins Besondere für jene Merkmale, die für die Wirtschaftlichkeit der Zucht und das Wohlbefinden der Tiere relevant sind wie: Gesundheit, Fruchtbarkeit, Verhalten, Leistung sowie Exterieur und Gänge.

Phänotypen müssen in Zukunft hohen Qualitätsansprüchen genügen und deutlich präziser als bis anhin bestimmt/beschrieben werden, d.h. eindeutig und vertrauenswürdig (die Varianz hervorhebend) sein. Für die Erhebung und Registrierung der Daten müssen neue Verfahren erarbeitet und die Zuchtprogramme angepasst werden. Diese Anpassungen setzen Umstellungsprozesse voraus, die massgeblich die Arbeit der Züchter und Richter tangieren werden: präzisere, objektivere und wiederholbare Beurteilungen und Beschreibungen, Qualitätskontrolle der Resultate, Harmonisierung der Methoden und Verfahren, Transparenz, Aus- und Weiterbildung etc. Die Züchter müssen ebenfalls motiviert werden: Ihre Zuchtorganisationen und die Forschung müssen die Kommunikation und die Ausbildung intensivieren und mit handfesten Fakten vom Interesse der Einführung dieser neuen Zuchtmethoden überzeugen, sowie Vorbehalte und Ängste abbauen. Internationale Zusammenarbeiten sollen ebenfalls ins Auge gefasst werden.

Neue rechtliche Aspekte müssen ebenfalls geklärt werden: Datenschutz, Eigentumsrechte der Genome und der genomischen Zuchtwerte, Einwilligung der Besitzer der Zuchttiere, etc.

Qualitative (monogene) Merkmale

Die Ausprägung (Genexpression) von qualitativen Eigenschaften (Erbkrankheiten, Fellfarben, Blutgruppen, usw.) geht auf die Wirkung von einem oder wenigen Genen zurück. Die Ausprägung der Eigenschaft ist eindeutig. Sie wird durch die Umwelt nicht oder kaum beeinflusst und variiert kaum zwischen den Individuen. Die Eigenschaften können bestimmten Klassen zugeteilt werden (z.B. Braun, Fuchs, Rappe).

Diese Eigenschaften werden nach den Regeln von Mendel weitervererbt. Sie folgen verschiedenen Erbgängen. Man unterscheidet rezessive und dominante Erbgänge der qualitativen Merkmale.

Autosomal-rezessiver Erbgang

Beim rezessiven Erbgang kann ein monogenes Merkmal  nur dann in Erscheinung treten, wenn beide Eltern Träger des defekten Allels sind. Die Eltern sind dabei nicht betroffen. Sowohl der Hengst wie auch die Stute geben mit ihren Geschlechtszellen (Spermien oder Eizelle) entweder die gesunde (A) oder die mutierte Allelvariante (a) an ihren Nachkommen weiter. Das Merkmal tritt also nicht in jeder Generation auf.

Autosomal-dominanter Erbgang

Beim dominanten Erbgang reicht ein defektes Allel aus, damit die Krankheit in Erscheinung tritt. So kann die Krankheit eine Generation nicht überspringen.

Paarungsmöglichkeiten

Diagnostik und DNA-Test

Das für die Eigenschaft verantwortliche Gen oder die verantwortliche Mutation lässt sich oft molekulargenetisch nachweisen. Daraus können Gentests entwickelt und in der praktischen Zucht eingesetzt werden.

Wenn man das verantwortliche Gen oder die Mutation nicht genau kennt, kann die Beziehung zwischen dem Gen und einem genetischen Marker in der Nähe des Gens auf demselben Chromosom mit Hilfe einer Kopplungsanalyse gesucht werden. Um die Marker zu bestimmen, müssen in vielen Fällen mehrere Familienmitglieder untersucht werden. Daraus kann ein indirekter DNA Test entwickelt werden.

Die eindeutige Diagnose monogen vererbter Merkmale kann sich auch als schwierig herausstellen. Gen und Marker liegen eng benachbart und werden grundsätzlich gemeinsam an die Nachkommen weitergegeben. Bei der Bildung von Geschlechtszellen findet aber ein DNA-Austausch (Rekombination) zwischen mütterlichen und väterlichen Chromosomen (die betreffenden Chromosomen überkreuzen sich; engl. crossing-over). Väterliche Allele werden mit mütterlichen Allelen vermischt. Wenn die Distanz zwischen Gen und Marker gering ist (enge Koppelung), kommt es selten zur Rekombination (kleine Rekombinationsrate). Je grösser aber die Distanz zwischen Gen und Marker ist, umso häufiger kommt es zur Rekombination zwischen diesen beiden Orten. Bei einer Rekombination können Marker und Gen getrennt werden. Die Rekombinationsrate entspricht somit der Irrtumswahrscheinlichkeit der Labordiagnose und erklärt die Möglichkeit von falsch positiven bzw. falsch negativen Laborresultaten.

Quantitative (polygene) Eigenschaften

Für bestimmte Funktionen und Merkmale sind mehrere Gene verantwortlich (quantitative Eigenschaften oder polygene Merkmale). Die meisten wirtschaftlich interessanten Merkmale (z.B. multifaktorielle Erkrankungen, Stockmass, Körperbau, Leistung) gehören dieser Kategorie an und sind multifaktoriell bedingt: Sie kommen durch das Zusammenwirken vieler Gene (viele Gene mit wenig Effekt und wenige Gene mit grossem Effekt) sowie bestimmter Umweltvoraussetzungen (Risikofaktoren) zur Ausprägung. Wegen diesen wichtigen Umwelteinflüssen variiert die Ausprägung der Merkmale am einzelnen Pferd. Somit können diese kontinuierlich variierenden Merkmale (Variabilität) zwischen den Individuen einer Population nicht in klar abgrenzbare Klassen eingeteilt werden.

Für diese Merkmale stehen keine gendiagnostischen Tests zur Verfügung. Die genetische Veranlagung (genetisches Potenzial, Zuchtwert) eines Zuchttieres kann über seine Eigenleistung und über die Leistungen von verwandten Tieren geschätzt werden. Die Methoden der quantitativ-genetischen Selektion (Zuchtdaten, Heritabilität, BLUP-Methode, genomische Zuchtwertschätzung, usw.) müssen eingesetzt werden.

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