Genetic differentiation within and between populations under selection – studies on diverse chicken populations and the Göttingen Minipig

Abstract

Ziel dieser Arbeit war es, verschiedene Aspekte der Verwendung von genetischen Markern in der genomischen Charakterisierung und Analyse von verschiedenen Tierpopulationen zu untersuchen. Zu Beginn werden die verschiedenen Anwendungsbereiche von genetischen Markern in der Tierzucht beschrieben. In der ersten Analyse wurden acht Hühnerrassen für 9‘216 Single Nucleotide Polymorphism (SNPs) und 29 Microsatelliten (Single Sequence Repeats, SSRs) typisiert. Um die Rassen zu differenzieren wurden zwei unterschiedliche Methoden herangezogen: (i) die Bayesian Model-based Clustering Analyse, die im Programm STRUCTURE (Version 2.3) implementiert ist und (ii) eine Hauptkomponenten-Analyse (Principal Component Analysis, PCA), bei der eine Differenzierung der Rassen aufgrund ihres Euklidischen Abstandes zueinander durchgeführt wurde. Die Ergebnisse der STRUCTURE Analyse zeigten, dass die Wiederholbarkeit bei SNPs, unabhängig von Ihrer Anzahl, höher war als bei den SSR. Bei der Zuordnung eines Individuums zu einer der Rassen wurden die höchsten Werte für 29 SSRs und 100 SNPs errechnet. Die PCA-basierte Methode ergab, dass 2.4 SNPs je SSR benötigt werden, um eine vergleichbare Differenzierung zu erreichen. Dieses Ergebnis ist vergleichbar mit Untersuchungen, die an Menschen oder Rindern durchgeführt wurden. Unter Verwendung aller SNPs konnte im Vergleich zu allen vorhandenen SSRs eine genetisch inhomogene Rasse detektiert werden. Aufgrund dieser Ergebnisse und der deutlich größeren Anzahl an verfügbaren SNPs verglichen mit SSRs kann davon ausgegangen werden, dass SNP-basierte Ansätze weiter an Bedeutung gewinnen werden. Des Weiteren wurde eine umfassende Kartierung von Selektionssignaturen auf den Autosomen des Göttinger Minischweins durchgeführt. Für die Suche nach Selektions-signaturen wurden die mittels des Illumina Porcine BeadChip 60K (Illumina, San Diego, USA) gewonnenen SNP Daten anhand von zwei Methoden untersucht: Zum einen wurde der Long Range Haplotype Test (LRH) angewendet, der im Softwarepacket SWEEP integriert ist. Zum anderen wurden die genomischen Anteile der drei Ausgangsrassen für jeden SNP aufgrund einer Bayes‘schen Methode geschätzt. Es konnte eine signifikante Veränderung der Anteile der Ausgangsrassen verglichen mit den berechneten pedigree-basierten Erwartungswert festgestellt werden. Hierbei fiel auf, dass die Zuteilung der Allele zu einer der drei Ausgangsrassen sowohl zwischen als auch innerhalb der Chromosomen hoch variabel ist. Es wurde angenommen, dass eine lokale Abweichung der Zusammensetzung als Hinweis darauf interpretiert werden kann, dass diese Region unter gerichteter Selektion stand. Mit Hilfe dieses Indikators und den Ergebnissen des LRH-Testes konnte eine Vielzahl von Regionen identifiziert werden, die unter Selektion standen. Einige dieser Regionen beherbergen Kandidatengene, die funktionell mit den Zuchtzielen der Göttinger Minischweine im Zusammenhang stehen, z.B. SOCS2, TXN, DDR2 und GRB10, die mit der Körpergröße in Verbindung gebracht werden, oder das PRLR Gen, das die Wurfgröße beeinflusst. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen lassen Rückschlüsse darauf zu, dass die Beziehung der Gene SOCS2 und GRB10 zu dem IGF-1 Gen der mögliche Grund für den Zwergwuchs im Göttinger Minischwein sein könnte. In einem weiteren Schritt wurden die Ergebnisse der Kartierung der Selektionssignaturen auf den Autosomen des Göttinger Minischweins validiert. Hierfür wurde die Cross Population Extended Haplotype Homozygosity (XPEHH) berechnet. Diese Methode basiert, genau wie der LRH-Test, auf dem Auffinden von Regionen ausgedehnter Haplotypenhomozygotie. Die beiden Ansätze unterscheiden sich dadurch, dass beim LRH-Test innerhalb einer Rasse und beim XPEHH im Vergleich zweier Rassen Selektionssignaturen aufgedeckt werden. Als Vergleichsrassen wurden Tiere der Rassen Göttinger Minischwein, Deutsche Landrasse und Large White mit dem Illumina Porcine BeadChip 60K (Illumina, San Diego, USA) genotypisiert. Mit Hilfe des XPEHH-Tests konnten weitere Regionen identifiziert werden, die unter Selektion standen. Aufgrund des Vergleichs von Großschweinerassen mit dem Göttinger Minischwein und dem erneuten Auffinden des SOCS2 Gens wird die Vermutung bestärkt, dass es sich hierbei um eines der wichtigsten Gene für den Zwergwuchs beim Göttinger Minischwein handelt. Zusammenfassend ergibt sich, dass SNP-basierte Ansätze einen deutlich besseren Einblick in die genomische Architektur von Populationen ermöglichen. Dadurch wird ein besseres Verständnis von Selektion und Differenzierung von Rasse auf genomischer Ebene erreicht.