Genetiske studier av mastitt

Genetiske studier av mastitt SIGBJØRN LIEN 1, AYMAN SABRY 1, LUIS GOMEZ-RAYA 2, DAG INGE VÅGE 1, INGRID OLSAKER 3, GUNNAR KLEMETSDAL 1, BJØRG HERINGSTAD 1, JOHN RUANE 4, KNUT RØNNINGEN 2 OG HELGE KLUNGLAND 1 Institutt for husdyrfag, Norges landbrukshøgskole, Pb. 5025, 1432 Ås-NLH 1, AKVAFORSK, Postboks 5010, Husdyrbygget, 1423 Ås 2, Institutt for Morfologi, Genetikk og Akvatisk Biologi, Norges veterinærhøyskole, Pb. 8146 Dep., 0033 Oslo 3, FAO, Animal Production and Health Division, Viale delle Terme di Caracalla, 00100 Rome, Italy 4 Innledning De fleste økonomisk viktige produksjonsegenskapene hos husdyr er kvantitative. Det innebærer at den enkelte egenskap «styres» av flere gener, og at egenskapen viser en kontinuerlig variasjon. Den senere tiden har det vist seg at det er mulig å kartlegge enkeltgener som påvirker slike egenskaper, og omfattende forskningsprosjekter med dette som formål er startet opp over hele verden. Generelt kan man si at vi har tre essentielle komponenter i den genetiske kartleggingen av de kvantitative egenskapene (kalt for QTL=quantitative trait loci). Vi må ha tilgang på systematisk innsamlede produksjonsdata fra et egnet familiemateriale, det må konstrueres gode genetiske kart for den aktuelle populasjonen, og det må utvikles statistisk metodikk som kobler sammen de to informasjonskildene. Dersom vi har en QTL innebærer det at et område av arvestoffet som har innvirkning på en kvantitativ egenskap er påvist. Dyremateriale - systematisk innsamling av produksjonsdata Når man kartlegger QTL er i eksisterende storfepopulasjoner utnytter man informasjonen på produksjonsegenskaper hovedsakelig framskaffet ved avkomsgransking av okser. Ved å velge et slikt forsøksopplegg sparer en både tid og penger i forhold til å konstruere egne forsøkspopulasjoner. Disse blir spesielt kostbare på storfe fordi det her er få avkom og lange generasjonsintervall. QTL-analysen fokuserer dermed på egenskaper som er inkludert i eksisterende avlsmål eller som registreres ved evalueringen av avlsokser. En stor fordel med å arbeide innen eksisterende storfepopulasjoner er at når genvarianter som påvirker enkeltegenskaper blir påvist vil en seleksjon for disse relativt enkelt kunne integreres i det eksisterende avlsarbeidet. En framtidig seleksjon for ønskede genvarianter vil sannsynligvis bli et viktig supplement til det tradisjonelle avlsarbeidet, og vil være med på å øke den genetiske framgangen for egenskapene i avlsmålet. Det er videre åpenbart at en

genmarkør for produksjonsegenskaper, kanskje spesielt helse og fruktbarhet, vil kunne gi et betydelig konkurransefortrinn ved salg av avlsdyr i et åpnere marked. Det er viktig å merke seg at den norske storfepopulasjonen er spesielt godt egnet til QTL-kartlegging på grunn av: Godt organisert avlsarbeid med sikre registreringer tilbake i tid. Tilgang på sæd over flere oksegenerasjoner til isolering av DNA. Registreringer av mange egenskaper. Spesielt interessant er mulighetene til kartlegging av gener som påvirker helse og fruktbarhet. Helsekortsystemet med gode registreringer på en rekke egenkaper gjør de nordiske dataene på dette området unike i verdenssammenheng (Heringstad m. fl., 2000). Store avkomsgrupper (250-300 døtre for hver ungokse) gir sikre avlsverdiestimater for de kvantitative egenskapene, noe som også muliggjør påvisning av QTL for egenkaper med lav arvbarhet. Avlsstrukturer med import av avlsmateriale (oksesæd) tilsier at flere av populasjonene er genetisk informative (mange heterozygote QTL), noe som støttes gjennom de studiene som allerede er gjennomført. Genetisk kart Arbeidet med å konstruere et genkart i den norske storfepopulasjonen startet opp i 1994, og et velegnet kart som dekker storfegenomet er nå ferdig utviklet (Våge m. fl., 2000). Dette kartet er også tilgjengelig på: http://www.nlh.no/institutt/ihf/genkartstorfe/. Kartet har tilstrekkelig oppløsning til en første «scanning» av genomet for QTL for viktige produksjonsegenskaper, og statistisk metodikk er utviklet for å koble sammen genkart med produksjonsdata. QTL for mastitt i den norske storfepopulasjonen En av de store kostnadene i husdyrproduksjonen er sjukdom. Spesielt medfører jurbetennelse store tap for melkeprodusentene. Det er derfor av spesiell interesse at vi har et dyremateriale som gjør det mulig å påvise QTL for denne egenskapen i Norsk Rødt Fe. Når andre populasjoner benyttes for liknende studier er man begrenset til å se på celletall som en indikator for «risiko for å utvikle jurbetennelse» (Ashwell og Van Tassell 1999). I QTL-prosjektets første fase er det inkludert 6 halvsøskenfamilier fra NRF, og resultatene som så langt er fremkommet viser at det er store forskjeller mellom de seks familiene. I familier hvor det er liten variasjon på frekvensen av mastitt er det få eller ingen utslag i QTL-analysene. De fleste og mest signifikante QTL-funnene er alle gjort i de tre familiene som viser størst variasjon for egenskapen. Totalt er det i de seks familiene funnet utslag som tyder på tilstedeværelse av QTL for mastitt

på 11 ulike kromosom. Tre av disse, på kromosom 4, 6 og 11, er spesielt lovende og det er disse det nå arbeides videre med. Samtlige av disse er funnet i familien etter 2946 Bekkevold, og resultatene på kromosom 6 går igjen for 2052 Mauland. De molekylære dataene som er tilrettelagt i QTL-prosjektet gjør det mulig å analysere enhver egenskap som er registrert i populasjonen. Egenskapene som så langt er analysert inkluderer melkeproduksjonsegenskaper og fruktbarhet/tvillingfødsel (Lien m. fl., 2000), i tillegg til jurbetennelse. Analysene som så langt er utført for egenskaper som det også er arbeidet med i andre land (Riquet m. fl. 1999) viser at de samme QTL-ene blir påvist i uavhengige studier. I tillegg er det for disse egenskapene gjort hittil ukjente QTL-funn i Norsk Rødt Fe (Lien m.fl., 2000). Videre arbeid - finstrukturkartlegging og karakterisering av QTL for mastitt Informasjonen av de første «genome scan» kan brukes i avlsprogrammer ved hjelp av «Marker Assisted Selection (MAS)». Enkelte avlsorganisasjoner, som for eksempel Holland Genetics, har allerede inkludert en slik markørinformasjon i utvalget av avlsdyr. I tillegg er det viktig å arbeide videre for å avklare de molekylære årsakene til QTL ene. Sentralt i et slikt arbeid står karakterisering av QTL er ved finkartlegging, studier av kandidatgener og supplerende studier i andre familier/populasjoner. Formålet med finkartlegging er å angi posisjonen til QTL ene mer nøyaktig før man begynner å lete etter gen(er) med innvirkning på de aktuelle egenskapene. I dette arbeidet er det også aktuelt å styrke de statistiske testene ved å øke antall individer. For vårt arbeid har vi plukket ut tretti nye familier i NRF hvor det er påvist stor variasjon i frekvensen av jurbetennelse mellom døtre som stammer fra ulike okser i en halvsøskenfamilie. Dette dyrematerialet vil være et nyttig verktøy i det videre arbeidet. 2946 Bekkevold har dessuten 32 sønner som er brukt i Sverige, og disse er nå tatt i bruk for å bekrefte QTL-funnene på kromosom 4, 6 og 11. Til direkte karakterisering av gener med innvirkning på kvantitative egenskaper er det blitt lansert to hovedstrategier; 1) komparativ kartlegging av kandidatgener (se O Brien m. fl. 1999) og 2) posisjonskloning. Fordi gener har spesifikke funksjoner er disse i stor grad konservert over arter. I arter som for eksempel gris, ku og menneske viser det seg at også større kromosomområder er konservert. Dette benytter man seg av i komparativ genkartlegging for å anslå hvilke humane gener som ligger innen et gitt kromosomområde hos storfe. Med tanke på at det allerede idag er isolert og delvis karakterisert over 30 000 gener hos mennesket er det åpenbart at komparative kart blir et meget nyttig hjelpemiddel når man skal finne genet utfra en gitt QTL-lokalisering hos storfe. Alternativ metodikk for karakterisering av QTL vil være posisjonskloning. Dette involverer konstruksjon av sammenhengende fysisk

kart over området og identifisering/karakterisering av kodende sekvenser i dette. Denne type metodikk er langt mer arbeidskrevende og kostbar enn komparative strategier, men muliggjør identifisering av nye gener med hittil ukjente funksjoner. Dersom det blir påvist molekylære forskjeller i gen(er) som påvirker en egenskap som mastitt kan dette relativt enkelt integreres i det tradisjonelle avlsarbeidet og være med på å redusere forekomsten av sykdommen i NRF-kua. Dette er sterkt ønskelig både av dyrevelferdsgrunner og fordi jurbetennelse er en sterkt kostnadsdrivende faktor i norsk melkeproduksjon. Mindre forekomst av mastitt vil også være viktig for redusert antibiotikabruk i norsk husdyrhold. Det er videre åpenbart at en genmarkør for lavere frekvens av jurbetennelse vil gi NRF betydelig konkurransefortrinn ved salg av avlsdyr i et åpnere marked og dermed styrke eksporten av avlsmateriale fra organisasjonen. Referanser Ashwell, M.S. and Van Tassell, C.P., 1999. Detection of putative loci affecting milk, health, and type traits in a US Holstein population using 70 microsatellite markers in a genome scan. J. Dairy Sci., 82, 2497-502. Heringstad, B., Klemetsdal, G. and Ruane, J., 2000. Selection for mastitis resistance in dairy cattle A review with focus on the situation in the Nordic countries. Livest. Prod. Sci., In press. Lien, S., Karlsen, A., Klemetsdal, G., Våge, D.I., Olsaker, I., Klungland, H., Heringstad, B., Ruane, J., Rønningen, K. and Gomez-Raya, L., 2000. Mapping quantitative trait loci for twinning rate in Norwegian Cattle. Mammalian Genome, submittet. O'Brien, S.J., Menotti-Raymond, M., Murphy, W.J., Nash, W.G., Wienberg, J., Stanyon, R., Copeland, N.G., Jenkins, N.A., Womack, J.E., Marshall Graves, J.A., 1999. The promise of comparative genomics in mammals. Science 286, 458-481. Riquet, J., Coppieters, W., Cambisano, N., Arranz, J.J., Berzi, P., Davis, S.K., Grisart, B., Farnir, F., Karim, L., Mni, M., Simon, P., Taylor, J.F., Vanmanshoven, P., Wagenaar, D., Womack, J.E., Georges, M., 1999. Finemapping of quantitative trait loci by identity by descent in outbred populations: application to milk production in dairy cattle. Proc. Natl. Acad. Sci. 96, 9252-9257.

Våge, D.I., Olsaker, I., Klungland, H., Gomez-Raya, L. and Lien, S., 2000. A male genetic map designed for QTL mapping in Norwegian Cattle. Acta Agric. Scand., in press.