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Sequence-Based Analyses of the Goettingen Minipig Genome

dc.contributor.advisorSimianer, Henner Prof. Dr.
dc.contributor.authorReimer, Christian
dc.date.accessioned2018-07-27T08:47:26Z
dc.date.available2018-07-27T08:47:26Z
dc.date.issued2018-07-27
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-002E-E45F-F
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-6982
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-6982
dc.language.isoengde
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subject.ddc630de
dc.titleSequence-Based Analyses of the Goettingen Minipig Genomede
dc.typedoctoralThesisde
dc.contributor.refereeTetens, Jens, Prof. Dr.
dc.date.examination2018-05-09
dc.description.abstractgerUnter den bekannten Schweinerassen sticht das Göttinger Miniaturschwein (GMP) aufgrund seiner besonderen Eigenschaften und Historie heraus. Es geht in seiner heutigen Form auf die Bestrebungen Göttinger Tierzüchter in den 1960er Jahren zurück, ein besonders kleines, rein weißes Schwein für den Laboreinsatz zu züchten. Dazu wurden insgesamt drei Rassen mit unterschiedlichsten Eigenschaften, das Minnesota Minischwein, das Vietnamesische Hängebauchschwein und die Deutsche Landrasse gezielt miteinander verpaart, bis die neue Rasse den Erwartungen entsprach. Mit einem Gewicht von 35 bis 45 kg sind adulte Minischweine erheblich kleiner als normale, zur Nahrungsgewinnung eingesetzte Rassen und Pigmentierung kommt nahezu nicht mehr vor. Obwohl die Zucht des GMP seit Anbeginn wissenschaftlich begleitet wird, liegen die genauen Hintergründe der Verzwergung bislang im Unklaren. In den letzten Jahren haben immer mehr molekulargenetische Techniken in die Tierzucht Einzug gehalten und so ist es heute durch so genanntes „Next-Generation-Sequencing“ (NGS) möglich, das gesamte Genom eines Individuums zu annehmbaren Kosten zu entschlüsseln. Diese Technik wird nun in dieser Studie dazu genutzt, um das Größenwachstum beim GMP genauer zu untersuchen. Darüber hinaus bringt die Zucht eines Labortieres in sehr wenigen isolierten Beständen es mit sich, dass die Gefahr einer Populationsstratifikation, des Auseinanderdriftens der Ausgangsrasse in Unterrassen mit unterschiedlichen Eigenschaften, allgegenwärtig, jedoch nicht gewünscht ist. Diesbezüglich versuchen wir auf der Basis von NGS-Daten, eventuelle Differenzierung zwischen den einzelnen Zuchtbeständen zu finden und einzuschätzen, ob züchterische Gegenmaßnahmen nötig sind. In Kapitel 2 und 3 verwenden wir Vollgenomsequenzdaten von verschiedenen Großschweinerassen, um sie mit Vollgenomsequenzdaten von zehn weiblichen Göttinger Miniaturschweinen und zehn MiniLEWE, einer weiteren Miniaturschweinerasse, sowie eines DNA-pools aus zehn MiniLEWE zu vergleichen. In der Annahme, dass Selektion auf eine geringe Größe in den beiden Minischweinerassen ähnliche Gene favorisiert hat, suchten wir dabei nach Regionen im Genom, in denen die genetische Variabilität infolge gerichteter Selektion deutlich vermindert ist, welche sich aber gleichzeitig stark von denen der Großschweine unterscheiden. Abhängig von den verwendeten Schwellenwerten für die drei verwendeten Statistiken „erwartete Heterozygotie“ und FST, sowie dem auf der Verteilung der Allelfrequenzen basierenden „Composite likelihood ratio test“ (CLR) wurden unterschiedliche Genomanteile detektiert: Während der erste Ansatz in Kapitel 2 in 15.7 % des autosomalen Genoms Spuren von Selektion identifizierte, waren dies im zweiten Abschnitt in Kapitel 3, durch die Nutzung deutlich schärferer Grenzwerte, nur 2 %. Bereits der erste Ansatz zeigte, dass die erwartete Heterozygotie und der CLR Test sich ergänzten, indem sie unterschiedliche Regionen identifizierten, in denen unter anderem diverse Kandidatengene für Wachstum, zum Beispiel TGFβ und DDR2, lokalisiert werden konnten. In zweiten Ansatz in Kapitel 3 konnte durch das spezifischere Vorgehen dagegen die Anzahl der zu untersuchenden Regionen deutlich vermindert werden. So konnten zwei mögliche Mechanismen, zum einen Veränderungen im MAP-Kinase-Weg und eine mögliche Insulinresistenz als Grundlage des Minderwuchses identifiziert werden. Des Weiteren konnte durch die Analyse von Genotyp-Daten aus einem Kreuzungsexperiment zwischen GMP und Großschweinen, die Vererbung eines außergewöhnlich großen Haplotyps auf Chromosom X geklärt und gezeigt werden, dass dieser etwa 3 % der Körperlänge der Minischweine erklärt. In den Kapiteln 4 und 5 wird die Populationsstruktur des heutigen GMP näher untersucht, welches in jeweils einem Bestand in Relliehausen in Deutschland, North Rose in den USA, Nisshin in Japan und zwei Beständen in Dalmose in Dänemark, gezüchtet wird. Dazu wurde aus jedem der fünf unabhängigen Zuchtbestände eine möglichst repräsentative Stichprobe von schlussendlich jeweils 20 Tieren genommen. Die DNA von jeweils zehn dieser Tiere wurde in einem „DNA-Pool“ zusammengefasst, sodass insgesamt zehn Pools, zwei je Bestand, sequenziert werden konnten. Zusätzlich wurden alle bereits in der ersten Studie verwendeten Rassen hinzugenommen. Durch Abschätzung der Differenzierung zwischen den Beständen, anhand der FST Werte für jeden einzelnen Locus, konnte in Kapitel 4 gezeigt werden, dass das GMP eindeutig von anderen Rassen abzugrenzen ist. Trotzdem finden sich Anzeichen für eine beginnende Auftrennung in drei Gruppen: Relliehausen, North Rose und eine Gruppe bestehend aus den beiden Dänischen Beständen und Japan. Trotzdem konnte auf Basis der funktionellen Annotation der SNPs gezeigt werden, dass diese Ausdifferenzierung vor allem in Genomregionen stattfindet, welche vermutlich nicht in Verbindung mit den Zielmerkmalen stehen. In der Erweiterung dieser Untersuchungen in Kapitel 5 wird in Form einer KEGG-Pathwayanalyse versucht, komplexe biologische Zusammenhänge zwischen Genen besser zu erfassen. Diese Analyse hat gezeigt, dass die einzelnen Bestände in den 316 untersuchten Pathways nahezu nie voneinander differenziert sind. Jedoch konnte zwischen einem Dänischen Bestand und der Einheit in North Rose signifikante Differenzierung im Pathway „Glutamatergic synapse“ gefunden werden, welcher mit Verhaltensmerkmalen in Verbindung stehen könnte. Bei der Betrachtung der insgesamt verbleibenden genetischen Variabilität wurde deutlich, dass das Erhaltungszuchtprogramm in Relliehausen dazu geführt hat, dass dieser Bestand heute die größte genetische Diversität aufweist und somit als Genreserve des GMP zu betrachten ist. Insgesamt zeigte sich, dass das gesamte Genom des Göttinger Miniaturschweins mit Hilfe der NGS-Technologie deutlich detaillierter untersucht werden kann, als dies noch mit SNP-Markerarrays der Fall war. Die Möglichkeit der direkten Analyse potentiell funktioneller Variation, inklusive struktureller Variation, erscheint als großer Gewinn. Trotzdem wird ihr Einsatz auf absehbare Zeit aufgrund der hohen Kosten im Vergleich zu SNP-Arrays, auf relativ geringe Stichprobenumfänge begrenzt bleiben.de
dc.description.abstractengAmong the known pig breeds, the Göttingen Miniature Pig (GMP) stands out due to its special characteristics and history. Its current appearance dates back to the 1960´s when animal scientists from Goettingen took the effort to breed a particularly small, white-coated pig for laboratory use. For this purpose, a total of three breeds with different characteristics, the Minnesota Minipig, the Vietnamese Potbellied Pig and the German Landrace were crossed until the new breed met the expectations. With a weight of 35 to 45 kg, adult minipigs are considerably smaller than normal sized fattening breeds and pigmentation has almost disappeared. Although the breeding of the GMP has been scientifically accompanied from the beginning, the exact background of the dwarfism is so far unknown. In recent years, more and more molecular genetic techniques have entered into animal breeding, and so today's Next Generation Sequencing (NGS) allows the entire genome of an individual to be deciphered at an acceptable cost. This technique will now be used in this study to further investigate the genetic background of size of the GMP. In addition, the breeding of a laboratory animal in very few isolated stocks implies that the danger of population stratification, sub-division of the parent population into sub-populations with different characteristics, is omnipresent but not desired. In this regard, on the basis of NGS data we try to identify possible differentiation between the individual breeding stocks and to assess whether breeding countermeasures are necessary. In chapters 2 and 3, we use whole genome sequence data from various large-breed pig breeds to compare them to full-genome sequence data from ten miniature female Goettingen Minipigs and ten MiniLEWE, another miniature pig breed, as well as a DNA pool made up from ten other MiniLEWEs. Assuming that selection for a small size favoured similar genes in the two miniature swine breeds, we searched for regions in the genome where the genetic variability was reduced due to directional selection but at the same time the regions were highly differentiated from the respective regions in large breeds. Depending on the thresholds used for the three statistics "expected heterozygosity" and FST, as well as the "composite likelihood ratio test" (CLR), which is based on the distribution of allele frequencies, different genome parts were detected: while 15.7% of the autosomal genome were identified in the first approach in chapter 2 as signatures of selection, these were only 2% in the second section in chapter 3, using much sharper limits. Already the first approach showed that the expected heterozygosity and the CLR test complemented each other by identifying different regions in which various candidate genes for growth, such as TGFβ and DDR2, could be localized. In the second part in chapter 3, however, the more specific approach significantly reduced the number of regions to be examined. Thus, two possible mechanisms could be identified as a basis for short stature: changes in the MAP kinase pathway and a possible insulin resistance. Furthermore, by analyzing genotype data from a cross-breeding experiment between GMP and large pigs, the inheritance of an exceptionally large swept haplotype on chromosome X could be clarified and shown to account for about 3% of body length in the F2 cross-breds. In chapters 4 and 5, the population structure of today's GMP, which today is bred in one stock each in Relliehausen in Germany, North Rose in the USA, Nisshin in Japan and two stocks in Dalmose in Denmark, is examined in more detail. From each of the five independent breeding stocks a representative sample of 20 animals was taken. The DNA of every ten of these animals was pooled in a "DNA pool" so that a total of ten pools, two per stock, could be re-sequenced. In addition, data from all breeds already used in the first study were added. By estimating the differentiation between stocks, based on the FST values for each locus, it was shown in chapter 4 that GMP is clearly differentiated from other breeds. Nevertheless, there are signs of a beginning separation into three groups: Relliehausen, North Rose and a group consisting of the two Danish stocks and Japan. On the basis of the functional annotation of the SNPs it could be shown that this differentiation takes place mainly in genome regions, which probably are not related to the target phenotypes of the GMP. In the extension of these studies in chapter 5, a KEGG pathway analysis attempts to better understand complex biological relationships between genes. This analysis has shown that the individual stocks are not differentiated in most the 316 pathways. However, significant differentiation in the pathway "glutamatergic synapse", which could be related to behavioral traits, could be found between a Danish population and the unit in North Rose. When looking at the overall remaining genetic variability, it became clear that the conservation breeding program in Relliehausen has led to this stock today having the greatest genetic diversity and thus to be regarded as the gene reserve of the GMP breed. Overall, it was shown that the entire genome of the Goettingen miniature pig can be examined in much greater detail using NGS technology than was the case with SNP marker arrays. The possibility of direct analysis of potentially functional variation, including structural variation, appears to be a great benefit. Nevertheless, their use will be limited to relatively small sample sizes for the foreseeable future, due to the high costs compared to SNP arrays.de
dc.contributor.coRefereeWeigend, Steffen Dr.
dc.subject.gerGoettingen Minipig, whole genome resequencing, body size, X-chromosomal QTLde
dc.subject.engGoettingen Minipig, whole genome resequencing, body size, X-chromosomal QTLde
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-11858/00-1735-0000-002E-E45F-F-8
dc.affiliation.instituteFakultät für Agrarwissenschaftende
dc.subject.gokfullLand- und Forstwirtschaft (PPN621302791)de
dc.identifier.ppn1027860168


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