Erfelijkheidsleer en populatiegenetica

Erfelijkheidsleer en
populatiegenetica
•
Samen Friese paarden fokken
Studieclub Fokvereniging Het Friesche Paard Zuid Nederland
– Gemonde 21 maart 2014
Even voorstellen
Wie is Myrthe Maurice – Van Eijndhoven
• Studie
• Dier en veehouderij aan de HAS Den Bosch
• Fokkerij en Genetica aan de Wageningen Universiteit
• Werk
•
•
•
•
•
Sinds 2013 werkzaam bij Stichting Zeldzame Huisdierrassen
Wageningen Livestock Research  promotieonderzoek
Centrum voor Genetische Bronnen (CGN)
HAS Den Bosch, docent keuzevak fokkerij
Trainingsstal Dynamis
Wat is fokkerij?
Het verbeteren van aanleg van dieren
door steeds alleen de beste dieren te
gebruiken als ouderdieren.
Een paar definities
Wat is een ras?
Van Dale:
groep van individuen, die van een andere groep
onderscheiden door een aantal erfelijke en lichamelijke
overeenkomsten.
Een paar definities
Wat is een populatie?
Van Dale:
voor statistische doeleinden geselecteerde of
bijeengebrachte groep individuen of zaken
Dus dat kan zijn:
• de Europese paardenpopulatie
• de Nederlandse paardenpopulatie
• de populatie Friese paarden in Nederland
• etc.
Het genoom van het paard
het genoom van een paard telt 3.000.000.000
(3 miljard) base paren (met daarin alle genetische informatie van het paard)
Om een idee te krijgen: 1 pagina = 3000 letters
stel: 1 boek = 500 pagina’s
aantal boeken nodig: 2000 boeken
Met dank aan Bart Ducro
Wat is erfelijkheid?
Erfelijkheid
• Basisregel
– DNA in twee kopieën aanwezig
– DNA: 50% van moeder, 50% van vader
Moeder
Vader
x
Ouder – Kind
Altijd 50% identiek
Kinderen
Volle broers – zussen
0 – 100% identiek (per stuk DNA)
Gemiddeld 50%
Centrum voor Genetische Bronnen, Nederland (CGN)
Genen
•
Stukken DNA vormen een gen
•
Een gen wordt omgezet in een functioneel eiwit
•
Meeste baseparen op zelfde plek in DNA zijn identiek in
verschillende dieren
•
Soms komt een basepaar in twee varianten voor. Deze
varianten noemt men allelen
Genen
• Stukken DNA vormen een gen
– Wordt omgezet in een functioneel eiwit
Gen1
Gen2
• Meeste baseparen op zelfde plek in DNA zijn identiek in
verschillende dieren en chromosomen
• Soms komt een basepaar in twee varianten voor, dus
twee verschillende allelen
Allel 1
Gen1
Allel 2
Gen2
Locus
(ook wel plaats op het DNA)
Allelen
• Neutrale allelen: geen effect
• Allelen met een effect
– Negatief: bijvoorbeeld erfelijke gebreken
– Positief: bijvoorbeeld betere weerstand
• Termen:
– Homozygoot: allel op beide chromosomen identiek
• ZZ of zz
– Heterozygoot: allel op beide chromosomen verschillend
• Zz
– Gefixeerd: alle dieren in de populatie hebben
hetzelfde allel
Centrum voor Genetische Bronnen,
Nederland (CGN)
Erfelijkheid van kenmerken
• Enkelvoudig (monogeen) kenmerk
• Wordt bepaald door één gen met twee (of meer) varianten
• Voorbeeld: Haarkleur (zwart of bruin), erfelijke gebrek (wel /
niet)
• Meervoudig (polygeen) kenmerk
• Meerdere, vaak 100den genen bepalen kenmerk
• Voorbeeld: schofthoogte, melkproductie in kg, etc.
• Mengsel van genen van ouders
Kenmerken
Enkelvoudig/
Kwalitatief
Meervoudig/
Kwantitatief
Hoedanigheid
Hoeveelheid
Discontinue variatie
Continue variatie
Effect 1/enkele allelenparen
Effect vele allelenparen
Werking berust op een/
enkele genen
Tellen en klassenindeling
Werking berust op groot
aantal genen
Statistische analyse
Geringe milieu-invloed
Duidelijke milieu-invloed
Haarkleur/ bloedgroep
Schofthoogte/ gewicht
Kwalitatief kenmerk
Gegevens verzamelen
Om te voorspellen hoe een paring uit zal
pakken en (nog belangrijker) dieren te
selecteren die bovengemiddeld scoren op
gewenste kenmerken is het van belang om
naast pedigree kenmerken te registreren!
 Fenotype
Fenotype = genotype + milieu
Rekenen met fenotype
• Erfelijkheidsgraad (h²)
• Fokwaarde (A) (wordt niet behandeld)
 Voor het schatten van erfelijke
aanleg van kwantitatieve
kenmerken
Erfelijkheidsgraad (h²)
(1)
Voordat we fokwaarden kunnen berekenen
moeten we eerst weten in hoeverre een
kenmerk erfelijk is door het berekenen
van: de erfelijkheidsgraad
h² geeft aan in welke mate de waargenomen verschillen
(variatie in P) tussen dieren in de geselecteerde
populatie worden veroorzaakt door verschillen in
erfelijke aanleg (variatie in G)
Erfelijkheidsgraad (h²)
(2)
 Hoeveel van de variatie in een kenmerk komt
door erfelijkheid
 Veel kenmerken zijn polygeen; door veel genen bepaald
 Erfelijkheidsgraad h²
 h² = Var(G) / Var(P)
 Geeft aan hoe snel een kenmerk door selectie kan
veranderen
 Bepaalt hoe precies je een fokwaarde kan schatten
 Meestal rond de 30%
 Lager voor fitness-kenmerken
 Hoger voor morfologie
Er is dus variatie nodig
Aantal dieren
(ook wel spreiding2 (σ) genoemd)
minimum
gemiddelde
maximum
Bovenstaande plaatje geeft een normale verdeling weer
Voorbeeld
Lichaamslengte van 5001
vrouwen gemeten:
Tot slot over h²
Bij voortgaande effectieve selectie
bestaat de kans dat steeds meer
dieren gewenste genotype verkrijgen
→ spreiding2 in G wordt kleiner
→ h²
=
spreiding2 in G / spreiding2 in P
dus: h² kleiner
Fenotypische waarde (P)
Om te rekenen denken we per dier aan
 P = Pgem + G + E
fokwaarde
Pgem =
gem. fenotypische waarde in een
populatie
G
=
+ of – bijdrage door de erfelijke aanleg
E
=
+ of – bijdrage door milieu
Inteelt,
verwantschap
en het gebruik
van merkers
Stoomcursus Inteelt
Moeder
Vader
x
x
Dochter
– Paren van 2 verwante dieren: nakomelingen zijn ingeteeld
– Soms beide kopieën van zelfde voorouder afkomstigCentrum voor Genetische Bronnen,
Nederland (CGN)
Waarom inteelt managen?
• Minder variatie  grotere kans op erfelijke
gebreken
– Komen in elk ras voor
– Ieder mens draagt ± 3 letale erfelijke gebreken
– Vaak onverwachts, als donderslag bij heldere
hemel
– Indien erfelijk gebrek op treedt, ben je al te laat
Inteelt is niet erfelijk
Naen is niet ingeteeld
(op basis van deze stamboom)
Gevolgen van inteelt
Gevolgen van inteelt
• Inteeltdepressie
– Algemene achteruitgang van het ras
•
•
•
•
Kleiner
Minder vruchtbaar
Meer gezondheidsproblemen
Korter leven
– Komt in vrijwel alle zoogdieren en vogels
voor.
Voorbeeld: Inteeltdepressie in de wolf
Uit: Conservation Biology 1991 5: 33-40
Effect van 25% inteelt
– Lichaamsgewicht 8 mnd
– Levensduur
-6 kg
-1 jaar
– Nestgrootte
– #nakomelingen/teef
-1 pup
-0.7 pup
Wanneer komt een erfelijk
gebrek tot uiting; een voorbeeld
Het kan dus meerdere
generaties duren
voordat een gebrek tot
uiting komt
“Stoplicht” inteelttoename
Inteelttoename
Beoordeling risico’s
Effectieve
populatiegrootte
>1%
Uitsterven door opeenstapeling
erfelijke gebreken
<50
0,5% - 1%
Erfelijke gebreken gaan vrijwel zeker
voorkomen
50-100
0,25% - 0,5%
Er kunnen erfelijke gebreken optreden 100-200
< 0,25%
Kleine kans op erfelijke gebreken
>200
Centrum voor Genetische Bronnen, Nederland (CGN)
Verwantschap!
• Verwantschap:
– de kans dat een allel op een bepaald locus, willekeurige
gekozen van twee individuen:
‘identical by decent’ (identiek via dezelfde voorouder) is
• De verwanschap kan worden berekend:
– Tussen 2 dieren  op dierniveau
– Tussen één dier met de rest van de populatie
– Totale gemiddelde verwantschap  op populatieniveau
Heel belangrijk in gesloten populatie
zoals bij het Friese paard!
Verwantschap
• De verwantschapsgraad geeft
op populatieniveau meer
informatie over de
beschikbare diversiteit van de
populatie dan inteelt!
Dus: inteelt is binnen een
dier en verwantschap is
tussen dieren
Genoom informatie
• Genomic selection bij friese
paarden?
Met dank aan Bart Ducro
Genoom informatie
het genoom van een paard telt 3.000.000.000
(3 miljard) base paren
1 pagina = 3000 letters
1 boek = 500 pagina’s
2000 boeken
Verschillen tussen individuen op DNA niveau nu
zichtbaar in het laboratorium.
Genoom informatie
SNP
Ind 1
= een veelgebruikte genetische merker
CACCGCGCCT GGTCCC G TTT TGGCTATTCT
CACCGCGCCT GGTCCC G TTT TGGCTATTCT
Ind 2
CACCGCGCCT GGTCCC A TTT TGGCTATTCT
CACCGCGCCT GGTCCC G TTT TGGCTATTCT
Ind 3
CACCGCGCCT GGTCCC A TTT TGGCTATTCT
CACCGCGCCT GGTCCC A TTT TGGCTATTCT
Ind 4
CACCGCGCCT GGTCCC G TTT TGGCTATTCT
CACCGCGCCT GGTCCC A TTT TGGCTATTCT
Zo ziet dat eruit. In dit voorbeeld een klein stukje
van een DNA streng van 4 paarden; dus ieder paard
heeft op dezelfde plaats (locus) informatie geërfd
van zowel vader als moeder
Genoom informatie
• Paardengenoom bekend (2007)
• ~ 3 mrd. baseparen
• 4350 merkers
• 1.5 mln. SNP’s
• EquineSNP chip beschikbaar met
55.000 SNPs
Wat onderzoeken we:
• associatie tussen SNP en kenmerk.
• Welke variant past op welk kenmerk.
Genen
• Stukken DNA vormen een gen
– Wordt omgezet in een functioneel eiwit
Gen1
Gen2
• Meeste baseparen op zelfde plek in DNA zijn identiek in
verschillende dieren en chromosomen
• Soms komt een basepaar in twee varianten voor, dus
twee verschillende allelen
Allel 1
Gen1
Allel 2
Gen2
Dominant / Recessief
• Dominant allel
– Heterozygoot heeft zelfde kenmerk als homozygoot
• Recessief allel
– Homozygoot verschilt van heterozygoot
• Voorbeeld: erfelijke gebreken (vaak enkelvoudig)
– ZZ: gezond
Vrij
– Zz: gezond
Drager
– zz: ziek
Lijder
Centrum voor Genetische Bronnen,
Nederland (CGN)
Merkers
• Locus waarvan de allelen in het laboratorium kunnen worden
bepaald
• Kan gebruikt worden als test voor monogeen kenmerk
• Soms in een gen, dan 100% nauwkeurig voor een kenmerk
• Meestal verder weg, dan (sterke) aanwijzing voor kenmerk
Gen1
Merker
Gen2
• Na recombinatie is verband verbroken
Gen1
Merker
Gen2
Centrum voor Genetische Bronnen, Nederland (CGN)
Fokken tegen erfelijke
gebreken
Terugdringen van erfelijke aandoeningen
kan een onderdeel van fokprogramma zijn
• Vaak om ethische overwegingen gewenst!
• Nauwkeurig registreren is altijd van belang! (ook voor
eventuele wensen in de toekomst)
• Probleem zijn de dragers (bij monogene overerving)
• Testen en opsporen (indien gewenst en mogelijk)
• Sluit dragers niet te snel uit (om te voorkomen dat er
geen/te weinig dieren overblijven)
Merkers voor friese paard
• Merkers voor dwerggroei en waterhoofd
• Enkelvoudig recessieve overerving
• Niet mutatie zelf gevonden, maar SNP
vlakbij
• Betrouwbaarheid 99,5%
• Test sinds december 2013 beschikbaar bij
Dr. van Haeringen Laboratorium
Merkers voor friese paard
• Risicoparingen uitsluiten
• Binnenkort ook merries te testen
• Dragers geleidelijk uitfaseren
• CO-hengsten voor 2014 getest
• Dragers handhaven in de fokkerij
• Dragerschap bij goedkeuren publiceren
• Oudere hengsten worden niet getest
Geen onafhankelijke uitsluiting!
ziekte 1
ziekte 2
ziekte 3
Etc.
Fokken met dragers
Door verstandig te fokken met dragers kan een
erfelijk gebrek uiteindelijk uit de populatie worden
gefokt
• Let op dat dieren niet toch (ongewenst) worden
uitgesloten (als bijvoorbeeld bekend wordt welke hengsten
drager van een specifieke afwijking zijn, is het van belang dat deze
niet direct volledig worden genegeerd in de fokkerij)
• Het moet betaalbaar zijn, zodat ook
merriehouders hun dieren willen en kunnen
testen
• Zie ook volgende slide
Fokken met dragers
Bij hoge allelfrequentie: sluit dragers niet uit, maar kies vrije
veulens  allel frequentie dwerggroei en waterhoofd laag!
• Drager x Vrij
Drager
x
– Geeft 50%
vrije veulens
• Zelfs Drager x
Drager
– Geeft nog 25%
vrije veulens
– Maar ook 25%
lijders
Vrij
Drager
Drager
x
Lijnenteelt
Er zijn veel vormen van lijnenteelt. In principe geldt
altijd: dat er subpopulaties worden gevormd (meestal
tbv gescheiden houden bepaalde “bloedlijnen”)
• Voordelen
– Behoud genetische diversiteit totale populatie -> indien
alle subpopulaties in stand worden gehouden (zie
echter ook de nadelen).
– Het fixeren van gewenste kenmerken (gewenste
genetische variatie).
• Nadelen
– Wanneer één subpopulatie verdwijnt, verdwijnt er
genetische variatie (vaak aanzienlijk).
– Binnen de subpopulaties is de kans op inteelt, en dus
inteeltproblemen, groter.
Lijnenteelt
• Uitwisseling tussen lijnen
– Wanneer voor lijnenteelt wordt gekozen als
fokkerijvorm is het van belang om uit te
wisselen tussen de subpopulaties om
inteeltproblemen zo veel mogelijk te
voorkomen.
(hiervoor kan aan een schema zoals bij rammencirkels
worden gedacht)
Ik wil lijnenteelt niet adviseren. Dit omdat de kans op het
optreden van de nadelen relatief groot is en deze ethisch
vaak onaanvaardbaar zijn.
Hartelijk dank
en mocht u nog vragen
hebben dan hoor ik die graag!