Individuelle Genomsequenzen Aussichten für die Tierzucht

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1 Individuelle Genomsequenzen Aussichten für die Tierzucht Ruedi Fries WZW / Lehrstuhl für Tierzucht Agrarw. Symposium - 1

2 Auswirkungen der Genomischen Revolution auf die Tierzucht (und Pflanzenzucht) Agrarw. Symposium - 2

3 Schwerpunkte Das Genom (Genomik) Genomische Referenzsequenzen Von der phänotypischen zur genomischen Selektion Individuelle Genomsequenzen Genomische Selektion 2.0 Agrarw. Symposium - 3

4 Das Genom Gen + Chromosom Genom (Genomik) Die Chromosomen sind Kettenmoleküle (Polymere) aus vier Nukleotiden mit einer der vier Basen: Adenin, Cytosin, Guanin, Thymin 3.4 Zentimeter / 100 Millionen Basen 3 Milliarden Basen / Genom Agrarw. Symposium - 4

5 Chromosom 1 des Rindes Base 1 AAATTAGACACTGAAGAGACTTGGAAAGAGAGGAAGTCAAATAACAAAGAAGAGGAAACCACTCTAGAAGTGACAGATG CAACAGATTAAAACCCTGTAGTTAAAATTGACTAAGTATTGGAAGGGGCCTATAGACCTTGAGTATTCTCAAGGTGGAA CAAGAAACTATCTGAAATTGAACCGACCCCCACGCTGCCCACAACAGCTCCAGAGAAATTCCTAGATATATTTTTACTA CTATCACTTTTTAATGTTTTCATTTTAAGTTATTTATTGGCCCTTCAATTTTCATTTTTATAACCTACTATTACCTTGC AAAAAAGACCCTATTTTTAAAGCGAATTTCATATATTTTTTTTTTCATAATTTTTATGATTGAGTTTATTTTGTATTTT TAATATTGTATTTTTGAGAGTGTATCCTCTACTCTAGATTTTTAATCTTTGCTTTTGGTATTTGTTATCAATTTTGTAC CTTTAAGAATCTAATCTGCAGTATCCATTTTCTCTTAGGGGTGTGATTACTGGCTTTATTGCTCTCTCCTCTTTTGACT CTCCCTTTTCTCTCCCATGTCAGCTCTTTCTCCTCCCTCCCCCTTCTCTTCTCTACTTCACTCTGTGAATCTCTAGGTG TTCTGGGCTGTGGAGAACACTTAGGGAACTGATTACTGGCTAGATCAGTCTCTCCCCTTTTGTTTGCCCTTCTTCTCCT CCTGGTCACCTCTATCTCCCTCCTCCTTCTTCTCTTCTCTGTGTAACTCTGTGAACCTCTCTGGGTCTCCCTTACTGTG GAGAATTGTTTCACCATTAACCTAGATGTTTTATCATCTGTGCTGTATGGATGGAGAAGTCTTAAGGCTACTGTAGAAT AAGACTGAAAGTTAGAGACAGGAGGATTAAATCCAAAACTTGAGAACACCAGGAAACTCCTGACTCCAGGAACATTAAT CAACAAGAGCTCATCCAAAAGCCTCCATACCTACACGGAAACCAAGCTCCATCCAAGAGCCAACAAGTTCCAGATCAAG ACATACCATGCTAATTCTCCAACAACATAGGAACATAGCCCTGAACATTAAAATACAGGCTGCCCAACGTCATGTCAAA CCCATAGATGCCCCAAAACTCACTCCTGGACACTTCATTGCACTCCAGAGAGAAGAGATCCAGTTCCACCGACCAGAAC ACAGATGCAAGTTTCCCTATCTATGAAAGCTTGACAAGCCACTAGTCCAACCCCACCCGCAGGGAGCAACCTTCACAAT AAAAAGAAACCACAGATTTCCAGCCTACAGAAAGGTCACCCCAAATACAGCAATCTAAACAAAATGCAAAGGCAGAGAA ATATTTCATCAGGTAAAGGAACATGATAAATGACCACCAAACCCAATCAAAAGAGGAAGAGATAGGGAGTCTACCTGAA AAAGAATTCAGAGTAATGATAGTAAAGATGATCCAAATCTTGAAAACAAAATGGAGTCACAGATAAATAGTCTAGAGAC AAGGACTGAGAAGATGCAAGAAGTGTTTAACAAGGACCTAGAAGAAATAAAGAAGAGTCGATCAATAATGAATAATGCA ATAACAGATCAAAAGAACTCTGGAGGGAAACAACAGTAGAATAGCTGAGGCAGAAGACAGGATAAGTGAGGTGAAAGAA CGGTGGAAATAAATTAAGCAGAGAGGGAAAACGAAGAAAGAATTGAAACAAATGAGGACAACCTCAGAGGCCTCTGCGA CAATGTTAAATGCCCCAACATTTGAATCATAGGAGTCTCAGCAGAAGACGACAAAAAGAAAGGGCATGAGAAAATACCT GAGGAGATAATAGTTGAAATTTTCTCTAAAATGGGGAAGGAAATAGCCACCAAAGCCCAAGAAACCCAGATAGTCCCAA ACAGGATAAACCCAAGATGAAAACATCCTAAGACATACATTAATCAAATTAATGAAGACCAAACACAAAGAACAAATAT TAAAGCCAGCAAGGGAAAAGCAACA... Chromosom 1 des Rindes Base 1000

6 Sequenzierung von Dominette ( model organism for human medicine ) > 50 Mio $ von... NHGRI ($25 Mio) NIH ($10 Mio) (Free) State of Texas ($8 Mio) Genome Canada ($5 Mio) Robert und Helen Kleberg Foundation ($2 Mio) USDA-ARS ($1 Mio) CSIRO (Australia) ($1 Mio) New Zealand ($1 Mio) Agrarw. Symposium - 6

7 Seit 2004 Referenzsequenzen für Nutztiere Huhn - Washington University, Medical School Rind - Baylor College of Medicine Honigbiene - Baylor College of Medicine Pferd - Broad Institute, MIT Schwein - Sanger Institute Agrarw. Symposium - 7

8 Individuelle Abweichungen von der Referenzsequenz Re-Sequenzierung von Abschnitten des Genoms bei anderen Individuen Single Nucleotide Polymorphisms (SNPs) Insertionen / Deletionen Variable Copy Number (CNVs) Agrarw. Symposium - 8

9 Re-Sequenzierung Referenz-Sequenz...AGTCTAGGGACTAGATATGCAGATGCACGATGTAGCTTGAGTGT... Tier 1...AGTCTAGGGACTAGATATGCAGATGTACGATGTAGCTTGAGTGT......AGTCTAGGGACTAGATATGCAGATGTACGATGTAGCTTGAGTGT... Tier 2...AGTCTAGGGACTAGATATGCAGATGCACGATGTAGCTTGAGTGT......AGTCTAGGGACTAGATATGCAGATGTACGATGTAGCTTGAGTGT... Tier 3...AGTCTAGGGACTAGATATGCAGATGCACGATGTAGCTTGAGTGT......AGTCTAGGGACTAGATATGCAGATGCACGATGTAGCTTGAGTGT... Agrarw. Symposium - 9

10 Welche Effekte haben die SNPs auf den Phänotyp? Die allermeisten sind neutral. Einige sind aber sehr nahe bei einem SNP, der sich auf den Phänotyp auswirkt. SNPs mit einer Wirkung auf den Phänotyp: Quantitative Trait Loci (QTL) Prof. Hans Geldermann Agrarw. Symposium - 10

11 SNPs als Marker für die Vorhersage des genetischen Wertes eines Tieres Über benachbarte SNP-Marker wird der Effekt der anonymen QTL auf das Merkmal geschätzt. Prediction of total genetic value using genomewide dense marker maps Meuwissen et al., 2001 Genomische Selektion Umsetzung ab 2008 beim Milchrind, nach Lancierung des SNP Chip durch die Firma Illumina (< 200 pro Tier) Agrarw. Symposium - 11

12 Genomische Selektion (Milchrind) Genotypisiere mindestens 2000 Bullen mit konventionell geschätzten Zuchtwerten (ZW) (Kalibrierungspopulation) an ca SNP-Loci. Schätze den Effekt jedes SNP auf den ZW ( Schätzformel) Genotypisiere Kandidatentiere; summiere den Effekt * Genotyp für alle SNPs um den genomischen Zuchtwert (gzw) jedes Kandidaten zu erhalten. Selektiere aufgrund des gzw. Agrarw. Symposium - 12

13 Genomische Zuchtwerte seit August 2010 auch in Deutschland!

14 Vorteile der genomischen gegenüber der konventionellen Selektion Kürzeres Generationenintervall doppelter Zuchterfolg pro Jahr Aufwändiges Aufziehen und Halten von Testbullen entfällt Einsparungen bis zu 90% der Kosten für die Bullenprüfung Agrarw. Symposium - 14

15 Genomische Selektion K Chip für die Rasse Holstein-Friesian (HF) optimiert hohe Sicherheiten Fleckvieh QTL können nicht optimal markiert werden niedrigere Sicherheiten Große Kalibrierungspopulation (> 4000) notwendig GS für kleine Populationen nicht möglich Schätzformel nicht übertragbar Agrarw. Symposium - 15

16 Genomische Selektion 1.5 Neuer Illumina-Chip seit Ende Juli 2010: SNPs (777K) Optimiert für alle wichtigen Rassen, inkl. Fleckvieh Individuelle Sequenz von Vanstein durch HelmholtzZentrum münchen und TUM Imputation von SNPs via SNPs Höhere Sicherheiten auch beim Fleckvieh! Übertragung der Formeln auf kleine Rassen? Agrarw. Symposium - 16

17 VANSTEIN - Erster Bulle mit individueller Genomsequenz * , GZW 137, 98 Söhne, Erstbesamungen 2009

18 Drei Generationen der Sequenzierautomation ABI 370 (Applied Biosystems) Life Sciences (Roche) GA I Solexa (Illumina) SOLiD 1 Agencourt (LifeTechnologies via Beckman) 3 Pacific Biosystems Oxford Nanopore (Illumina) Ion Torrent (Life Technologies) Agrarw. Symposium - 18

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20 Illumina: Imaging 150 MILLION CLUSTERS PER FLOW CELL 20 MICRONS 100 MICRONS

21 Hoch-Durchsatz-Sequenzierung: State-of-the-art Herbst 2010 ABI Roche ABI* Illumina ABI 3730 GSFLX SOLiD 4 HiSeq 2000 Basen / Lauf 70 kb 400 Mb 300 Gb 200 Gb Leselänge 750 bp 400 bp 75 bp 100 bp *Life Technologies Agrarw. Symposium - 21

22 Mooresches Gesetz: Komplexität integrierter Schaltkreise verdoppelt sich alle Monate. The Economist, June 17, 2010 Agrarw. Symposium - 22

23 Individuelle Genomsequenz für (für Verbrauchsmaterial) 8 x Abdeckung Entdeckung der meisten SNPs eines Individuums Sequenzierung von etwa 80 Stammvätern Entdeckung der meisten SNPs einer Rasse Imputation der Sequenz auf die ganze Population via 777K-Chip individuelle Genomsequenz jedes genotypisierten Tieres Agrarw. Symposium - 23

24 Genomische Selektion 2.0 Auf (imputierten) individuellen Genomsequenzen basierend Identifizierung von Quantitative Trait Nucleotides (QTNs) Nukleotide, die für die QTL-Variation verantwortlich sind. Agrarw. Symposium - 24

25 Genomische Selektion 2.0 (Fortsetzung) Bislang anonyme QTL-SNPs werden als QTNs direkt angesprochen. Maximale Sicherheit des genomischen Zuchtwertes Nachhaltigkeit und Übertragbarkeit der Schätzformeln Agrarw. Symposium - 25

26 Genomische Revolution und Grüne Revolution II Ausleuchten der Blackbox des quantitativgenetischen Modells der klassischen Tierzucht (Pflanzenzucht) Genomische Identifizierung von Genotypen, die sich für low-input / highoutput Systeme eignen Agrarw. Symposium - 26

27 Danke... Sebastian Eck, Anne Benet-Pagès, Tim Strom, Thomas Meitinger Hubert Pausch, Krzysztof Flisikowski, Simone Jung... Johann Aumann, Wolfgang Lampeter, Fam. Röhrmoser Dr. Dr. h. c. Karl Eibl-Stiftung BMBF Synbreed ( FUGATO-plus Agrarw. Symposium - 27