Investition in die Zukunft

Auf dem Weg zur genomischen Zuchtwertschätzung beim Boxer

Nachdem der deutsche Boxerclub die molekulargenetischen Untersuchungen und Studien

für den Boxer an der Tierärztlichen Hochschule Hannover nun unterstützt, beschränkt sich

der Aufbau der in Hannover entstehenden Datenbank für den Boxer nicht mehr ausschließlich

auf HD, sondern bezieht auch Spondylose, Aortenstenosen, Kryptorchismus und Juvenile

Nierendysplasie (JRD)* ein.

Das Merkblatt zur Teilnahme finden Sie hier.

*Mit den JRD-Angaben auf dem neuen Bogen sind die phänotypischen Merkmale gemeint,

d.h. hier wird gefragt, ob der Boxer an JRD erkrankt ist oder nicht. Wenn zusätzlich ein

genotypisches Testergebnis zur COX2-Mutation aus Kanada vorliegt, bittet Herr Prof. Distl

(TIHO Hannover) darum, dieses unbedingt ebenfalls anzugeben, da seinen Angaben zufolge

eine Zusammenarbeit und Kooperation bzgl. JRD mit dem kanadischen Institut „dogenes“

und Dr. Mary Whiteley gegebenenfalls naheliegend sei.

Genomische Selektion in der Hundezucht

Vom Pilotprojekt zur praktischen Anwendung

Die Zucht auf Gesundheit hat in der Hundezucht einen herausragenden Stellenwert erreicht. Bei allen Hunderassen werden inzwischen Gesundheitsmerkmale bei der Auswahl der Zuchttiere und bei der Paarungspartnerwahl berücksichtigt. Die Mehrzahl der Gesundheitsmerkmale wird von einer größeren Anzahl von Genen beeinflusst. Diese Merkmale werden in der Genetik als komplex bezeichnet, da nicht ein einziges Gen die Ausprägung der Krankheit bestimmt, sondern eine Vielzahl von Genen mit jeweils unterschiedlicher Wirkung. Erfahrungsgemäß ist mit der Zuchtauslese nach dem Gesundheitsstatus der Zuchttiere oder der Zuchtwertschätzung über das BLUP-Verfahren eine Verbesserung der Gesundheitssituation nur nach vielen Generationen Zuchtarbeit und somit nur sehr langsam zu erreichen. Mit der genomischen Selektion (GES) hat sich diese Situation grundlegend geändert. Es ist möglich, komplexe Gesundheitsmerkmale über dieses Verfahren züchterisch zu verändern und einen signifikanten Zuchtfortschritt innerhalb weniger Generationen ohne wesentliche Inzuchtzunahme zu erreichen. Da bei diesem Verfahren die genetische Diversität einer Population darstellbar ist, kann jederzeit der Grad der Diversität des einzelnen Tieres überprüft und bei der Anpaarungsplanung mitberücksichtigt werden.

Grundlagen der genomischen Selektion

Für die GES wird aus einer Population eine repräsentative Anzahl von Tieren für die Genotypisierung ausgewählt. Diese Stichprobe wird so zusammengesetzt, dass sie zu 50% von der zu untersuchenden Krankheit eindeutig betroffene Tiere und zu 50% von dieser Krankheit freie Tiere enthält. Anschließend erfolgt eine Genotypisierung mit einem Hochdurchsatzverfahren. Für den Hund steht hier ein 200K Illumina Beadchip zur Verfügung. Mit dieser Technologie können ca. 200.000 Marker, in diesem Falle SNPs (single nucleotide polymorphisms), in einem Reaktionsansatz für jeweils 12 Tiere gleichzeitig bestimmt werden. Für diese Stichprobe werden die Effekte der SNP-Allele auf die Krankheit geschätzt, und zugleich erfolgt ein Filterprozess, um SNPs ohne Effekte auf die Krankheit zu eliminieren. Für das Set relevanter SNPs wird dann eine Teststichprobe genotypisiert und die Vorhersagekraft einschließlich deren Genauigkeit für den Phänotyp und den Zuchtfortschritt überprüft. Anschließend kann die GES für die Selektion angewandt werden. Wird in der Lernstichprobe die Variationsbreite einer Population ausreichend erfasst, dann ist ein hoher Zuchtfortschritt bei Anwendung der GES in kurzer Zeit zu erwarten. Die Höhe des zu erwartenden Zuchtfortschritts in der Population kann direkt an den Ergebnissen der Teststichprobe abgelesen werden.

Genomische Selektion gegen Hüftgelenkdysplasie

Für die Hüftgelenkdysplasie (HD) liegen bereits SNP-Sets für den Deutschen Schäferhund vor und eine große Zahl von Genloci für die HD ist bereits bekannt. Für die genetische Aufklärung der HD beim Deutschen Schäferhund wurden zunächst über Kopplungsanalysen die Genombereiche identifiziert, in denen für HD verantwortliche Gene lokalisiert sind. Die besonders bedeutsamen Bereiche mit Genen für die HD des Schäferhundes liegen auf den Chromosomen 1, 3, 4, 8, 9, 16, 19, 26 und 33. Diese Bereiche konnten auf eine Größe von ca. 5 Mb (5 Mio. Basenbausteine) eingegrenzt werden.

Für die Entwicklung erster genomischer Zuchtwerte für HD wurden in diesen Genombereichen eine sehr große Anzahl von SNPs entwickelt und auf ihre Brauchbarkeit für die GES überprüft. Da möglichst in kausalen Genen liegende SNPs in den genomischen Zuchtwert aufgenommen werden sollten, wurden letztendlich nur 17 SNPs von 11 HD-Genomregionen ausgewählt. Diese 17 SNPs wurden an 770 Hunden, die für die aktuelle Population der Deutschen Schäferhunde repräsentativ sind, auf ihre Aussagekraft hin verifiziert. Diese 17 SNPs erwiesen sich als sehr genau und zuverlässig für die Vorhersage der HD. Unabhängig von weiteren Informationen von verwandten Tieren stehen diese 17 SNPs in einer engen Beziehung zur HD. Somit eignen sich diese SNPs für die GES gegen HD. Mittels dieser HD-SNPs wurden genomische Zuchtwerte für den Deutschen Schäferhund entwickelt, die Vorhersagen zum Auftreten der HD im späteren Leben erlauben und die Anpaarungsplanung für die Eltern verbessern. Dazu wurden Referenzkurven für den Zusammenhang zwischen den genomischen Zuchtwerten, die aus den individuellen SNP-Genotypen der Hunde abgeleitet wurden, und dem Risiko für HD erstellt. Für den einzelnen Hund kann anhand dieser Kurven das durch den individuellen Genotyp bedingte Risiko für HD auf einer Skala von -0,5 bis 0,5 bewertet werden. Für die spätere Zucht sagt der genomische Zuchtwert aus, wieviele mit HD assoziierte Genvarianten (Allele) der Hund trägt und weitervererben kann. Die genomischen Zuchtwerte können damit für die Anpaarungsplanung verwendet werden, um die Verteilung der Risiken, das mittlere Risiko und den best- und schlechtestmöglichen Fall für die Nachkommen berechnen zu können. Mit einem entsprechenden Paarungspartner kann die Anzahl der mit HD-assoziierten Genvarianten (Allele) in der Folgegeneration deutlich vermindert werden.

Für die Weiterentwicklung des SNP-Markersets haben wir mehr als 200 Deutsche Schäferhunde an ca. 127.000 SNPs genotypisiert. Dafür haben wir den Affymetrix GeneChip, Array version 2 full set (127.132 SNPs) verwendet. Aufgrund dieser Analysen ließ sich das Markerset deutlich verbessern, so dass Zuverlässigkeiten in der Vorhersagegenauigkeit mittels Teildatensätzen zwischen 70 und 85% erreicht werden konnten.

Weiterentwicklung des Markersets und Übertragbarkeit der genomischen Selektion auf andere Rassen

Mit der Entwicklung des caninen 200K Illumina Beadchips ist es möglich, Analysen über mehrere Rassen durchzuführen. Die hohe SNP-Dichte gewährleistet, dass in den HD-Genombereichen genügend SNPs vorhanden sind, die bei verschiedenen Rassen informativ sind, und somit mit Hilfe einer Referenzrasse (hier der Deutsche Schäferhund) die GES für Rassen mit kleineren Populationsumfängen realisierbar wird. Hierfür werden mindestens ca. 50 bis 150 Hunde mit Pedigree, HD-Befunden und EDTA-Blutproben benötigt. Pro Hund sollten 3-5 ml EDTA-Blut zur Verfügung gestellt werden. Die Auswahl der Tiere erfolgt aufgrund der Pedigrees und sollte möglichst repräsentativ für die jeweilige Rasse bzw. Population sein. Die Lernstichprobe wird so eingestellt, dass sie 50 % HD-freie und 50 % Hunde mit leichter bis schwerer HD umfasst. Die Anzahl der Hunde für die Lernstichprobe pro Rasse sollte bei Rassen mit sehr kleinen Tierzahlen bei 12 HD-freien und 12 von HD betroffenen Tieren liegen. Bei Rassen mit größeren Populationsumfängen sollten 24 HD-freie und 24 von HD betroffene Tiere verfügbar sein. Für ein erfolgreiches Projekt sollten sich mindestens 10-15 Rassen beteiligen. Der Erfolg des Projektes wird durch die Anzahl der beteiligten Rassen mitbestimmt und die für HD bestimmenden SNPs sollten aufgrund der bisherigen Überlegungen und Analysen schärfer zu fassen sein als bei einer Analyse innerhalb einer einzigen Rasse. Dieser rassenübergreifende Ansatz hat zugleich den Vorteil, dass die jeweils anderen Rassen als Teststichproben verwendet werden können, und somit die Erarbeitung der GES und die Austestung in einem Schritt ablaufen können. Das für die HD dargestellte Verfahren der GES lässt sich in ähnlicher Weise auf andere Merkmale übertragen. Empfehlenswert ist hierbei auch, eine Referenzrasse mit großem Populationsumfang oder mehrere Rassen mit mindestens mittleren Populationsumfängen miteinzuschließen. Die Patentierung des Verfahrens durch die Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover sichert für Europa eine kostengünstige Anwendung der GES beim Hund.

Projektablauf

Folgende Schritte sind für die Projektdurchführung notwendig.

Aufbau des Probenmaterials für die GES

(1) Probensammlung von einer möglichst großen Anzahl von Hunden mit HD-Befunden

(2) Regelmäßiges Überprüfen der Fortschritte in der Probenbereitstellung und Ansprechen von Besitzern mit für die Rasse bedeutsamen Zuchttieren (weitverbreitete Linien)

(3) Überprüfen, inwieweit bereits gesammelte Proben oder Proben von Hunden im Ausland einbezogen werden könnten

(4) Ansprechen von Tierärzten, die eine größere Anzahl von Hunden der betreffenden Rasse untersuchen oder als Klientel haben

(5) Etablierung einer DNA-Bank durch den Rassehundezuchtverein

Aufbereitung der Daten

(1) Bereitstellen der Zuchtbuchdaten (Pedigree) und Befunddaten für die HD

(2) Analyse der Verwandtschaftsverhältnisse und Populationsstruktur

(3) Vorauswahl der Tiere für die Genotypisierung

Genotypisierung der Hunde auf dem caninen 200K Illumina Beadchip

(1) Extraktion der DNA und Qualitätskontrolle der DNA

(2) Genotypisierung der Hunde von 10-15 Rassen

(3) Qualitätskontrolle der Daten und Überprüfen der Markervariabilität nach Rassen

Analyse der Daten

(1) Bilden von Rasseclustern

(2) Analysen für die Entwicklung der GES

(3) Überprüfen der Genauigkeit der Vorhersagen an Teststichproben

Übertragen der Ergebnisse für die GES in die Praxis

(1) Etablierung einer Routine für die Probenerfassung und Aufbewahrung

(2) Einbindung in die Routine für die Probenerfassung

(3) Datenrücklauf und Veröffentlichung der Ergebnisse

(4) Entwicklung der GES für weitere Merkmale

Prof. Dr. Ottmar Distl

Institut für Tierzucht und Vererbungsforschung

Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover

Bünteweg 17p

D-30559 Hannover

Tel.: 0511-953-8875

FAX: 0511-953-8582

E-mail: ottmar.distl@tiho-hannover.de