Towards the genetic dissection of the complex maternal infanticide behaviour using a white Duroc x Erhualian pig F2 design
by Chen Congying
Date of Examination:2008-01-22
Date of issue:2008-03-18
Advisor:Prof. Dr. Dr. Bertram Brenig
Referee:Prof. Dr. Dr. Bertram Brenig
Referee:Prof. Dr. Christoph Knorr
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Format:PDF
Description:Dissertation
Abstract
English
Aggressive behaviour by newly farrowed sows towards their own offspring, known as savaging or maternal infanticide, occurs commonly in the domestic pig, with a significant impact upon both the agricultural economy and animal welfare. In this thesis, maternal behaviours were in detail recorded in 288 F2 sows of a designed large White Duroc x Erhualian resource population from 5 h before to 24 h after parturition using real time 1:0 sampling. Genetic background of maternal infanticide was investigated by combination of quantitative trait locus mapping and candidate gene analysis. Savaging sows were defined as those with an apparently deliberate attack on one or more piglets resulting in the death by biting of at least one piglet. The incidence of savaging was, 10.7% in gilts (n = 103) and 5.3% at the second farrowing (n = 94) in farm 1; farm 2, 14.6% (n = 48) and 6.25% (n = 16), respectively; farm 3, 6.8% (n = 44) at the second farrowing and 3.2% (n = 31) at the third farrowing; farm 4, 15.7% (n = 70) at the first farrow. The incidence of savaging tended to be higher in gilts (P = 0.058) although some savaging gilts were harvested for the microarray gene expression study before their second litters. There was no effect of the different farms on incidence of savaging. Prepartum nest building behaviours were not a predictor for savaging, but savage sows had a greater frequency of posture change from before parturition through the expulsive phase. This restlessness included an increase in rearing behaviour and a reduced ability to lie down carefully without endangering piglets. After finishing the phenotype analysis, we performed the whole genome scan for QTL mapping for maternal infanticide behaviour. All 288 F2 sows together with their 19 F0 grandparents and 68 F1 parents were genotyped for 183 microsatellite markers. A QTL analysis was performed using a composite regression interval mapping method. When only additive effect was considered, a 5% genome-wide threshold QTL was detected on SSC16 for sows at the second farrow. Suggestive QTLs were identified on SSC9 for sows at the first farrow, on SSCX for sows at the second farrow, and on SSC2 for sows at the third farrow. When additive, dominant and imprinting effects were considered, one QTL was detected on SSC16 for sows at the second farrow. When the additive and dominant effects were considered, only a suggestive QTL was found on SSC3 for sows at the first farrow. QTLs on SSC2 and SSCX were consistent with the results from different Western commercial lines. According to comparative maps of human and pig, some interesting candidate genes were found on several of the detected QTL regions. In this thesis, we also studied the progesterone receptor membrane component 2 (PGRMC2) as a candidate gene for sow maternal infanticide. We described the chromosomal mapping, isolation and molecular characterization of the porcine PGRMC2 gene and analyzed the association of PGRMC2 polymorphisms with sow maternal infanticide. PGRMC2 was assigned to pig SSC8 by radiation hybrid mapping and the most significantly linked marker is CL344180 at a distance of 19.57cR. PGRMC2 has two different transcripts in pigs. The full-length cDNA of the large transcript is 1858 bp long and contains a 669-bp open reading frame (ORF) encoding a protein of 223 amino acids with a calculated molecular mass of 23.771 kDa and a theoretical isoelectric point of 4.77. The transcription initiation site of the small splice variant is located 115 bp downstream of that of the large transcript. The shorter transcript encodes a protein of 170 amino acids. The deduced porcine PGRMC2 proteins show high homology with those of other mammals. Similar to the other mammalian orthologs, the porcine PGRMC2 gene consists of 3 exons with sizes of 446 bp, 156 bp and 1259 bp. The 5 UTR lengths of the two transcripts are 25 bp and 70 bp respectively and both transcripts have the same 1161 bp 3 UTR. The promoter sequence is GC-rich and lacks a typical TATA box. Several putative cis-regulatory DNA-motifs, which represent potential binding sites for transcription factors like NF-1, AP-2, Sp1, T-Ag, glyco and RBS, were identified in the 208-bp upstream genomic region. Five single nucleotide polymorphisms (SNPs) were revealed in introns and the 3 UTR of the porcine PGRMC2 gene. A family based association study of haplotypes and SNPs with sow maternal infanticide using the transmission disequilibrium test (TDT) showed that allele A of exon 3 c-G>A and allele T of intron 2 g-1578A>T more frequently transmitted to infanticide sows. But this transmission trend was not found on any haplotypes. RT-PCR results indicate that PGRMC2 is expressed ubiquitously in pigs and that the large splice variant exists in all 18 tested tissues. Both transcripts were identified in the hypothalamus and liver.
Keywords: maternal infanticide; PGRMC2; quantitative trait locus; candidate gene; F2 sows; maternal infanticide; PGRMC2; quantitative trait locus; candidate gene; F2 sows
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Aggressionen von Sauen gegenüber ihren
gerade geworfenen Ferkeln ist ein häufig beobachtetes Verhalten bei
Hausschweinen, welches zu erheblichen wirtschaftlichen Verlusten
führt und außerdem problematisch im Bezug auf den Tierschutz zu
sehen ist. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde das maternale
Verhalten bei 288 Sauen einer Duroc x Erhualian
F2-Ressourcenpopulation 5 Stunden vor bis 24 Stunden nach der
Geburt in vier Betrieben untersucht. Der genetische Hintergrund des
Verhaltens wurde mittels eines Genomscans und einer
Kandidatengenanalyse weiter untersucht. Aggressives Verhalten der
Sauen wurde definiert als einen Angriff des Muttertiers auf eines
oder mehrere Ferkel, bei dem mindestens ein Tier durch die
Beißattacke zum Tod kommt. Aggressives Verhalten wurde bei 10,7 %
der Jungsauen (n=103) und 5,3 % der zweitgebärenden Sauen (n=94) in
Betrieb 1 und 14,6 % (n=48) und 6,25 % (n=16) in Betrieb 2
beobachtet. In einem dritten Betrieb war die Inzidenz bei
zweitgebärenden 6,8 % (n=44) und 3,2 % (n=31) bei drittgebärenden
Sauen. In einem vierten Betrieb wurde aggressives Verhalten bei
15,7 % (n=70) der Jungsauen beobachtet. Aggressives Verhalten
scheint bei Jungsauen stärker ausgeprägt zu sein (P = 0,058). Ein
Teil der Jungsauen wurde zur Probengewinnung für spätere
Microarray-Analysen vor der zweiten Geburt herangezogen. Zwischen
den Betrieben konnte kein Unterschied im Auftreten des aggressiven
Verhaltens ermittelt werden. Das Nestbauverhalten vor der Geburt
konnte nicht als Parameter zur Vorhersage von aggressivem Verhalten
verwendet werden, obwohl präpartal unruhige Sauen sich später auch
häufiger aggressiv zeigten. Ergänzend zu den
Verhaltensbeobachtungen wurde ein Genomscan durchgeführt. Insgesamt
wurden 288 F2-Sauen zusammen mit 19 F0 und 68 F1 Tieren mit 183
Microsatelliten typisiert. Die Auswertung der QTL-Daten erfolgte
mit der „composite regression interval mapping“-Methode. Unter der
Annahme ausschließlich additiver Effekte wurde bei einem
genom-weiten Signifikanzniveau von 5 % bei Zweitgebärenden ein QTL
auf SSC16 identifiziert. Suggestive QTLs konnten auf den
Chromosomen SSC1 für alle Sauen, SSC9 für alle Sauen und
Erstgebärende, SSCX für Zweitgebärende und SSC2 für Drittgebärende
ermittelt werden. Unter Einbeziehung additiver, dominanter und
„imprinting“-Effekte konnte auf SSC7 für alle Sauen und SSC16 für
Zweitgebärende jeweils ein QTL detektiert werden. Bei der
Betrachtung von additiven und dominaten Effekten konnte ein
suggestiver QTL auf SSC3 für Jungsauen festgestellt werden. Die
QTLs auf SSC2 und SSCX sind in Übereinstimmung mit Untersuchungen
bei kommerziellen Linien. Aus den vergleichenden Genomkarten von
Mensch und Schwein lassen sich nun einige sehr interessante
Kandidatengene innerhalb der QTL Regionen bestimmen. Hierzu gehört
u.a. das Gen für die Progesteron-Rezeptor Membrankomponente 2
(PGRMC2). In der vorliegenden Arbeit wurde das PGRMC2-Gen isoliert,
chromosomal kartiert und auf assoziierte Polymorphismen untersucht.
Mittels eines RH panels konnte PGRMC2 auf SSC8 mit einer Distanz
von 19,75 cR vom Marker CL344180 kartiert werden. PGRMC2 liegt in
zwei alternativ gespleißten Formen vor. Die Länge des längeren
Transkripts beträgt 1858 bp mit einem offenen Leserahmen von 669
bp, welcher für ein 223 aminosäuren-langes Protein mit einer
theoretischen Molekülmasse von 23,771 kDa und einem pI von 4,77
kodiert. Das kürzere Transkript kodiert für ein Protein mit 170
Aminosäuren. Beide porcinen Proteine weisen umfangreiche Homologien
zu den Orthologen anderer Mammalier auf. Das porcine PGRMC2 besitzt
ebenfalls 3 Exons mit Längen von jeweils 446 bp, 156 bp und 1259
bp. Die 5 UTR hat je nach Transkript eine Länge von 25 bp oder 70
bp, während die 3 UTR bei beiden Transkripten 1161 bp beträgt. Der
Promotor ist GC-reich und enthält keine TATA-Box. Mehrere
potentielle Bindungsstellen für Transkriptionsfaktoren, z.B. NF-1,
AP-2, Sp1, T-Ag, glyco und RBS, konnten in der 208 bp „upstream“
Region identifiziert werden. Fünf Nukleotid-Polymorphismen (SNP)
konnten in Introns und der 3 UTR detektiert werden. Eine
Assoziationsstudie der SNPs mit dem Aggressionsverhalten der Sauen
mittels des Transmissions-Disäquilibrium-Tests (TDT) ergab, dass
Allel A in Exon 3 (c-G>A) und Allel T in Intron 2 (g-1578A>T)
häufiger an aggressive Sauen vererbt wurde. Jedoch konnte dieser
Trend bei der Verwendung von Haplotypen nicht bestätigt werden.
RT-PCR Untersuchungen haben gezeigt, dass PGRMC2 ubiquitär und das
längere Transkript in allen 18 untersuchten Geweben exprimiert
wird. Beide Transkripte konnten im Hypothalamus und der Leber
nachgewiesen werden.