Individuelle Genomsequenzen – Aussichten für die Tierzucht · Gen + Chromosom → Genom...

Lehrstuhl für Tierzucht Technische Universität München

Agrarw. Symposium - 1

Hans-Eisenmann-Zentrum

Individuelle Genomsequenzen – Aussichten für die Tierzucht

Ruedi Fries

Technische Universität MünchenWZW / Hans-Eisenmann-Zentrum

Lehrstuhl für Tierzucht




Auswirkungen der Genomischen Revolution

auf die Tierzucht(und Pflanzenzucht)




Schwerpunkte

● Das Genom (Genomik)● Genomische Referenzsequenzen● Von der phänotypischen zur genomischen

Selektion● Individuelle Genomsequenzen● Genomische Selektion 2.0




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

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Chromosom 1 des Rindes – Base 1

Chromosom 1 des Rindes – Base 1000




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)




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




Individuelle Abweichungen von der Referenzsequenz

● Re-Sequenzierung von Abschnitten des Genoms bei anderen Individuen

● „Single Nucleotide Polymorphisms“ (SNPs)● Insertionen / Deletionen● „Variable Copy Number“ (CNVs)




Re-Sequenzierung

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Referenz-Sequenz

Tier 1

Tier 2

Tier 3




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




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 genome-wide dense marker maps“ Meuwissen et al., 2001 → Genomische Selektion

● Umsetzung ab 2008 beim Milchrind, nach Lancierung des 54.000 SNP Chip durch die Firma Illumina (< 200 € pro Tier)




Genomische Selektion (Milchrind)

● Genotypisiere mindestens 2000 Bullen mit konventionell geschätzten Zuchtwerten (ZW) (Kalibrierungspopulation) an ca. 40.000 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.

Genomische Zuchtwerte seit August 2010 auch in Deutschland!




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




Genomische Selektion 1.0

● 54K 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





● Neuer Illumina-Chip seit Ende Juli 2010: 777.000 SNPs (777K)

● Optimiert für alle wichtigen Rassen, inkl. Fleckvieh ● Individuelle Sequenz von Vanstein durch

HelmholtzZentrum münchen und TUM

● Imputation von 777.000 SNPs via 54.000 SNPs ● Höhere Sicherheiten auch beim Fleckvieh!● Übertragung der Formeln auf kleine Rassen?

VANSTEIN - Erster Bulle mit individueller Genomsequenz

*30.09.2000, GZW 137, 98 Söhne, 47.000 Erstbesamungen 2009




Drei Generationen der Sequenzierautomation

● 1 1987 - ABI 370 (Applied Biosystems)

● 1.5 2005 - 454 Life Sciences (Roche)

● 2 2006 - GA I Solexa (Illumina)2007 - SOLiD 1 Agencourt(LifeTechnologies via Beckman)

● 3 Pacific BiosystemsOxford Nanopore (Illumina)Ion Torrent (Life Technologies)

150 MILLION CLUSTERS PER FLOW CELL

20 MICRONS

100 MICRONS

Illumina: Imaging




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




The Economist, June 17, 2010

Mooresches Gesetz:Komplexität integrierterSchaltkreise ver-doppelt sich alle 18–24Monate.




Individuelle Genomsequenz für 2.500 € (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





● Auf (imputierten) individuellen Genomsequenzen basierend

● Identifizierung von Quantitative Trait Nucleotides (QTNs) – Nukleotide, die für die QTL-Variation verantwortlich sind.




Genomische Selektion 2.0 (Fortsetzung)

● Bislang anonyme QTL-SNPs werden als QTNs direkt angesprochen.

● Maximale Sicherheit des genomischen Zuchtwertes

● Nachhaltigkeit und Übertragbarkeit der Schätzformeln




Genomische Revolution und Grüne Revolution II

● Ausleuchten der Blackbox des quantitativ-genetischen Modells der klassischen Tierzucht (Pflanzenzucht)

● Genomische Identifizierung von Genotypen, die sich für low-input / high-output Systeme eignen




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 (www.synbreed.tum.de)● FUGATO-plus

http://www.synbreed.tum.de/

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