Tierzucht und Genetik für die Veterinärmedizin

eine Kalbin wird vor der Schlachtung noch belegt

Anzahl der Kühe die nach der Besamung nicht wieder in die Brunst kommen und somit nicht nocheinmal Nachbesamt werden müssen

Wasserbindungsvermögen des Fleisches, Fett-Fleischverhältnis, Fleischqualität

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Aussage über die Herkunftsgleichheit der Allele an einem Genloci Aussage über die gleiche Herkunft der Elterntiere und der Nachkommen

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rel. kleines Herz, rel. wenig Blut, rel. viel Muskelmasse, rel. wenig Hämoglobin (Defekt im Ryanodinrezeptor führt zu vermehrten Ca2++ Einstrom ins SR -> Muskelkontraktionen -> Temperatur steigt) => Hyperthermie

blass (Pale), weich (Soft) und wässrig (Exudative)

schlechte Wasserbindungsqualität

trocken -> beim braten, säuerlich (durch pH-Abfall)

Mangel aber noch uneingeschränkt verzehrsfähig, fettarm

Meist tritt das PSE-Fleisch bei Kreuzungstieren auf, bei denen das Vatertier der Rasse Piètrain Träger eines speziellen Gens ist. Die Kreuzungstiere haben ein wesentlich höheres Fleischbildungsvermögen als die ursprünglichen Linien, bedingt durch Heterosis-Effekte. Bei Stress (z. B. den Transport zum Schlachthof) entsteht eine Maligne Hyperthermie, so dass die Rückenmuskeln einer Temperatur oberhalb von 42 °C ausgesetzt sind.

Transmissionsgenetik

1. Uniformitätsregel --> Bei Kreuzungen von reinen Linien sind alle Individuen der F1-Generation gleich.
2. Spaltungsregel --> Ausprägung der Merkmale phänotypisch = 3.1; Im Genotyp Verteilung 1: 2:1
3. Neukombinationsregel --> Unabhängigkeitsregel bei dihybridem Erbgang: Segregation der Allele unabhänhgig voneinander. (Mendels Beweis für die Chromosomen)

1.  
2. Vor ca. 200.000 Jahren kam es wohl zu einem Rückgang im natürlichen Nahrungsangebot → Jäger und Sammlertum wohl nicht mehr ausreichend → Domestikation von Wildtieren und Wildpflanzen = erste und wichtigste kulturelle Leistung des Menschen
3.  
   1. Behibevorzugte Nahrung schwer zu beschaffen
   2. unbeugsame Widersetzlichkeit
   3. langsame Wachstumsrate, langes Generationsintervall
   4. keine Zuchtbereitschaft in Gefangenschaft
   5. hierarchische Probleme (keine Leittierdominanz)
   6. Panik bei fehlender Fluchtmöglichkeit/Feindkontakt

4. kleine Gruppen werden von der Wildart isoliert → genetische Drift

   - ungleichmäßige Vermehrungsrate

   - raschere Generationsfolge

   - Änderungen von sozialen Strukturen, Umwelt und Ernährung

   - Wegfall der natürlichen Selektion → züchterische Selektion

   durch Zunahme der Bevölkerung: Anstreben höherer Leistung und daher auch Erhöhung der Individuenzahl

Verzehr von Hundefleisch in Europa

Meerschweinchen als Nahrungsmittel in Europa 

Defekt tritt nur bei einem Geschlecht auf. Meist männlichen Tieren. weibliche Merkmalsträger meist nicht lebensfähig.

Jede Abweichung von der arttypischen phänotypischen Ausprägung eines Organismus, die das physische und/oder psychische Wohlbefinden eines Tieres beeinträchtigt und die eine genetische Grundlage hat 

110 Tage

saisonal Polyöstrisch

5-7 Tage

Ne= (4x5x50)/(50+50)= 1000/55= 18,1818....= ca. 18

„survival of the fittest“

- gemeinsame Abstammung und allmähliche Entwicklung (Mutation)

- besser angepasste Lebewesen überleben eher und geben daher ihr Erbgut weiter (Selektion)

- Mensch ist ein Teil der Natur und steht nicht über ihr

Genom

• ist die Gesamtheit des genetischen Materials eines Organismus (replikationsfähig)

• Säugergenom: Zellkern-DNA & mitochondriale DNA (mtDNA)

Chromatin (Aufbau und Organisation)

• Chromatin = anfärbbare Einheit = Summe der Nukleosomen (Grundbausteine des Chromatins, Chromatin von Säugern ist auf Histone aufgewickelt)

• Zellkern-DNA ist in Chromosomen organisiert (Chromosomen = 30% DNA + 10% hnRNA + 60% Histon-Proteine)

Heterochromatin: hoch kondensiert, funktionell inaktiv

Euchromatin: locker aufgewickelt, funktionell aktiv, schwach anfärbbar

• Gene: codierende Bereiche der DNA

• Pseudogene: nicht codierende Bereiche

DNA

• stabiles Rückgrat aus Zucker, variable Nukleinsäuren die über Wasserstoffbrückenbindung (A&T, C&G) zur Doppelhelix (antiparallele, komplementäre Anordnung der Einzelstränge) binden (Nukleotid = Zucker und Nukleinsäure)

• Schreibweise des kodierenden Stranges 5‘3‘

• Mitochondriale DNA (mtDNA) ist einzelsträngig und ringförmig

Funktionen der Organisation in Chromosomen:

• Kompaktierung und Kondensierung

• Sicherung der Erstellung identer Kopien bei der Mitose = Replikation

• bei Eukaryoten:

Portionierung der DNA

Crossing Over, Rekombination und Segregation bei der Meiose Evolution

Chromatin-Dichte (Euchromatin <-> Heterochromatin) Regulation der Transkription (Genexpression) und des Zellzyklus

Kinetochor, dient dem Angriffspunkt des Spindelapparates zur Trennung der Chromosomen während der Mitose

Telomer, dient als Schutz der Chromosomen vor dem Abbau, werden im Alter kürzer

Permanente Veränderung der Genomaktivität = Differenzierung 

--> molekulare Mechanismen:

• epigenetisch (während Embyonalentwicklung)
• Feedback loops
• DNA-Rearrangements (ß-Zelle)
• Chromatinstruktur

Transiente Veränderung Genomaktivität: Ausgelöst durch extrazelluläre Stimuli 

--> molekulare Mechanismen: 

1. Direkt: zB Steroidhormon dringt in die Zelle ein und reguliert positiv oder negativ die Genexpression
2. Indirekt: Signaltransduktion, erzeugt an der Zellmembran Konformationsänderung eines Rezeptor --> intrazelluläre Signalkaskade --> positive oder negative Regulation der Genexpression.

Gemeinsamkeiten DNA/RNA

• irrvariables Rückgrat aus Zuckereinheiten, verknüpft zwischen 5’- und 3’-OH Gruppen über Phosphodiesterbrücken

• variable Basen

• Nukleotidkette mit negativer Gesamtladung und 5‘ 3‘ Orientierung

• Schreibweise des kodierenden Stranges: 5’ 3’

Genprodukte

RNAs

• mRNA (kodierend) … messenger RNA (als Zwischenstufe hnRNA – heterogene Kern-RNA)

• rRNA (nicht kodierend) = ribosomale RNA, Struktur-Bestandteil des Ribosoms

• tRNA (nicht kodierend) = transfer RNA, Aminosäure wird anhand des Codes erkannt

• miRNAs (nicht kodierend) beeinflussen die Translation und/oder bauen ihre Ziel-mRNAs ab

• sRNA (nicht kodierend) … small RNAs

snRNA = small nuclear RNA (100 bis 300 nt), katalytisch aktiv, mit Proteinen assoziiert bilden sie snRNPs (small nuclear ribonucleoproteins): Splicing

snoRNA = small nucleolar RNAs prozessieren ribosomale RNA

Proteine

• Strukturproteine, Enzyme, Hormone

• werden nur an Ribosomen aus Aminosäuren aufgebaut (unter Beihilfe verschiedener RNAs)

posttranskriptionelle Modifikationen der RNA (nur in Eukaryoten)

• RNA-Reifung: aus hnRNA wird mRNA … DNA (Transkription) hnRNA (Capping, PolyA) Primärtranskript (Splicing) reife mRNA

• hnRNA wird im Nucleoplasma transkribiert, rRNA dagegen im Nucleolus

Capping – 5‘-Ende-Modifikation

• Cap = Methylguanosin-Rest am 5‘ Ende von RNA Pol. II Transcripten

• Funktion: Cap wird vom Cap Binding Complex der Translationsmaschinerie (am Ribosom) erkannt, Stabilität und Transport der RNA

Polyadenylierung – 3‘-Ende-Modifikation

• Anhängen eines Poly-A-Schwanzes (200 bis 250 A)

• Funktion: Stabilität und Transport der RNA, Translationsregulation (-effizienz)

Splicing 5‘ 3‘ – interne Modifikation

• Entfernung der nicht-kodierenden Introns

aus einer hnRNA können verschiedene mRNAs entstehen (Genanzahl < Anzahl Transkripte)

• Alternative Transkriptionsstarts

• Alternatives Splicing

• Alternative Polyadenylierung

• RNA-Editing

Polyaminosäure-Kette biologisch inaktiv!

wird zu aktivem Protein oder Polypeptid modifiziert durch posttranslatorische Modifikationen:

• Chemische Modifikation: (Anhängen funktioneller Gruppen)

  • kleine chemische Gruppen (Acetylierung, Methylierung, Phosphorylierung...)

  • Zucker-Seitenketten

  • Lipid-Seitenketten

• Intein Splicing

• Faltung (alpha/beta Faltblattstrukturen)

• Proteolytische Spaltung (sequenzspezifische Proteasen -> Schneiden Proteine in aktive kleinere Proteine)

mRNA (und dessen Vorläufer hnRNA) … messenger RNA

• die einzige kodierende RNA – nur aufgrund dieses „Bauplans“ werden Proteine an den Ribosomen synthetisiert (Translation)

• wird im Zellkern transkribiert und zur fertigen mRNA (Capping, Polyadenylierung, Splicing) gereift

rRNA … ribosomale RNA (nicht kodierend)

• ist neben Proteinen ein Baustein der Ribosomen, an den Ribosomen erfolgt die Biosynthese

• wird im Nukleolus generiert und wird von der rDNA kodiert

tRNA … Transfer-RNA (nicht kodierend)

• bringen jeweils einzelne Aminosäuren zu den Ribosomen und vermittelt bei der Translation einem Codon auf der mRNA eine AS

miRNA … Micro RNA (nicht kodierend)

• miRNAs beeinflussen die Translation und/oder bauen ihre Ziel mRNA ab

Transkriptom = Gesamtheit der Transkripte einer Zelle (Struktur-RNAs, hnRNAs, mRNAs)

Gene < Transkripte (<< Proteine)

Proteom = gesamter Protein-Gehalt einer Zelle

Gene < Transkripte << Proteine

Mechanismen an der DNA (zur Vergrößerung der Vielfalt der Transkripte)

• alternative Promotoren

• alternative Transkriptionsstarts

Mechanismen an der RNA (zur Vergrößerung der Vielfalt der Transkripte)

• Alternatives Splicing

• Alternative Polyadenylierung

• RNA-Editing (Basenaustausch an der mRNA)

bei der Translation

• alternative Leserahmen (Frameshifts, ORF = open reading frame), kontrolliertes Wechseln der Leserahmens (ORF) innerhalb einer mRNA

Mechanismen am Protein (alternative post-translatorische Modifikationen, zur Vergrößerung der Vielfalt der Proteine)

• Alternative Transportmechanismen

• Faltung (AS-Sequenz bestimmt die Struktur) nur korrekt gefaltete Proteine sind biologisch aktiv

• proteolytische Spaltung

• chemische Modifikation (z.B. neue chemische Gruppen)

• Intein-Splicing (Ausschneiden eines Intein)

Direkte Gendiagnose

Genprodukt, Gen und Genvarianten sind bekannt => 100% Genauigkeit

Methode:

• Direkter molekulargenetischer Gentest für Merkmals- und Anlageträger (z.B. PSS/MHS)

• CD18 (z.B. BLAD bei europäischen Schwarzbunten)

• UMS (z.B. DUMPS bei europäischen Schwarzbunten)

• Myostatin (z.B. Muskelhypertrophie/Doppelländer bei Weiß-Blauen-Belgiern & Piemontesern)

Indirekte Gendiagnose

der genaue molekulare Mechanismus der Genwirkung und das/die beteiligten Gen(e) sind unbekannt => Darstellung über Kopplungsanalysen (=Wahrscheinlichkeitsaussage)

• Voraussetzung: Kopplung zwischen DNA-Marker und Locus < 5 cM

• Problem: Entkopplung?

Methode:

• DNA-Marker (z.B. Weaver beim Europäischen Braunvieh)

Genomkartierung = Charakterisierung von Genomen

• Zytogenetisch: Anzahl und Morphologie der Chromosomen (Idiogramm)

• Zyto-/Molekulargenetisch: Anordnung der Genloci und Allele auf den Chromosomen

• Sequenzbestimmung des Genoms Genomprojekte

Genkartierung = Charakterisierung von Genen

= Molekulargenetische Charakterisierung der funktionellen Abschnitte --> Regulatorische Sequenzen (5‘ und 3‘) + Transkribierter Bereich - kodierender Bereich (Exons - Introns)

Sequenzbestimmung des Gens

Weitere Analyse der Genexpression und Genprodukte (RNA-Analyse, Protein-Analyse)

Gen-/Genom-Karten

Lineare Anordnung der Gene bzw. DNA-Loci im Genom eines Organismus.

Das di- oder polyploide Genom muss durch 2 Gen-Karten beschrieben werden:

1. Genetische Genkarte (Kopplungskarte): zeigt die relativen Positionen von Genen und anderer Sequenz-Besonderheiten in einem Genom
   1. Crossing-over-Rate = Maß für den Abstand 2er Genorte/Loci
   2. beruht auf Kreuzungsexperimenten und Stammbaum-(Pedigree-) Analysen = Kopplungsanalysen
2. Physikalische Genkarte (zytologische Chromosomenkarte)
   1. Sequenz-Abfolge von Nukleotiden in DNA-Molekülen (Chromosomen)
   2. Fragment-Abfolge in DNA-Molekülen
   3. beruht auf molekular-genetischen Techniken (FISH, RFLP, Sequenzierung)

Def. Biologische Abstammungssicherung

Feststellung der Allele einer größeren Anzahl polymorpher Genomorte bei Eltern und Nachkommen.

Nachkommen können nur Allele tragen, die bei mind. einem der Eltern vorkommen.

Abstammungssicherung = Ausschlussverfahren

Aussage: wenn der Nachkomme Allele hat, die nicht von einem der Elterntiere stammen können, so muss dieses mögliche Elterntier von der Elternschaft ausgeschlossen werden

(es wird eine Wahrscheinlichkeitsaussage getroffen; Sicherheit der Aussage hängt von der Anzahl der untersuchten Genorte, dem Polymorphismusgrad der Loci und der Verteilung der Allelfrequenzen ab)

Biologische Abstammungssicherung durch polymorphe Allele

Protein-Polymorphismen (diese Verfahren können in bestimmten Kombinationen eine Vaterschaft ausschließen, nicht aber diese bestätigen)

• Blutgruppen

• Enzym- und Serumprotein-Varianten

• Haupthistokompatibilitätsantigene (MHC-Komplex)

DNA-Polymorphismen

• Mikrosatelliten (STR … Simple Tandem Repeats)

• SNP´s

genetischer Fingerabdruck; DNA-Profil eines Individuums (für dieses in hohem Maße charakteristisch); es werden sehr kleine, immer wiederkehrende, sich oft an einzelnen Loci anhäufende, nicht kodierende DNA-Sequenzen (Mikrosatelliten) mittels PCR vervielfacht. Diese tandemartig wiederkehrenden Sequenzen kommen im Genom aller Säugetiere vor, nur die Anzahl der Wiederholungen sind variabel, d.h. sie treten bei jedem Individuum in unverwechselbarer Länge und Kombination auf; die erhaltenen unterschiedlichen Längen (geschnitten) werden mittels Gelelektrophorese aufgetrennt und die Bandenspektren verglichen.

anthropologisch – erbbiolog. Gutachten

• mit Hilfe von vererbbaren äußerlichen Merkmalen (z.B. Haut-, Augen-, Haarfarbe, Kopfform, Irisstruktur, etc.)

Tierzucht = Feststellung erblicher Leistungen, Selektion auf Erhaltung bzw. Verbesserung der erblichen Leistung

Abstammung <—> Zuchtwert <—> kommerzieller Wert

Notwendigkeit der gesicherten Zuordnung der Verwandtschaftsverhältnisse

Methoden

• Ohrmarken, Papiere, Herd- bzw. Zuchtbücher (leicht zu fälschen und schwer zu überprüfen)

• Biologische Abstammungssicherung

Marker für Genkarten:

• phänotypische Marker = eindeutig erkennbares Merkmal, das das zu unterscheidende Merkmal markiert, ohne selbst an der Ausprägung des zu untersuchenden Merkmals beteiligt zu sein (z.B. dominante Weißfärbung des Kopfes Fleckvieh = Marker entsprechende Muskelfüllung)

• biochemische Marker = Protein-Polymorphismen (Blutgruppen, Enzyme, Serum-Proteine, MHC...)

• DNA-Marker = anonyme Sequenzen und Gene (RFLP, SSLP, SNP)

Verwendung:

• Kopplungsanalysen (genetische Genkarten, positional cloning)

• Phylogenetische Studien (genetische Distanzen)

• Abstammungsnachweis (väterliche und mütterliche Allele/Nachkommenallele)

• Identitätsnachweis (genetischer Fingerabdruck)

Marker = ‚Markierungspunkte‘ auf den Chromosomen, ohne eigene Funktion bei der Ausprägung des Leistungsmerkmals neutral

• hochpolymorphe DNA-Sequenzen

• DNA-Abschnitte der Gene, deren exakte Lokalisation bereits bekannt ist

• gleichmäßige Verteilung über das Genom

MAS = Marker assisted Selection

• Kopplung von Leistungsgenen mit genetischen Markern (Mikrosatelliten, SNPs = Einzelnukleotid-Polymorphismus)

• Marker = Markierungspunkte auf den Chromosomen, ohne eigene Funktion bei der Ausprägung des Leistungsmerkmals neutral

• Möglichkeiten der Selektion durch Kopplung der Marker mit den Leistungseigenschaften

Grenzen der klassischen Zuchtwertschätzung Einsetzen der MAS

• Merkmal mit niedriger Heritabilität

• späte Ausprägung der Merkmale

• negativ korrelierte Merkmale (Merkmalantagonismen)

Überwinden der Probleme durch Nutzung genetischer Information (MAS)

Vorteile der MAS

• Verkürzung des Generationenintervalls (Selektion VOR der Merkmalsausprägung)

• Erhöhung der Selektionsgenauigkeit durch zusätzliche Genominformation

• Erhöhung der Selektionsintensität durch Einbeziehung einer größeren Tierzahl (mögliche Differenzierung zwischen Voll- und Halbgeschwistern etc.)

Gensonde

Einzelsträngige DNA- oder RNA-Sequenz, die spezifisch markiert ist und an komplementäre Nukleinsäuresequenzen bindet.

Auf Grund der Markierung ist eine Identifizierung der erkannten Sequenz möglich.

Beispiele

bei Southern Blotting

• DNA-Isolierung Gel-Elektrophorese Transfer (Blotting) der DNA auf eine Membran Spezifischer Nachweis von DNA-Sequenzen durch eine Gensonde

bei Hybridisierung

• Gensonde erkennt und bindet Membran-DNA

Mutation = zufällige Veränderung des Genoms durch exo- oder endogene Prozesse, sprunghafte vererbbare Änderung des genetischen Materials

Mutante: minorer Genotyp in einer Population, Abweichung vom Standard

Wildtyp: Genotyp der Wildpopulation bzw. häufigster Genotyp in einer Standard-Population

Genmutation = Veränderung Nukleotidsequenz einzelner Gene oder DNA-Abschnitte, Genmutation betrifft nicht nur Gene: nur 3 % des Säugergenoms ist kodierende DNA von Genen

• Punktmutationen - Substitutionsmutationen (= Basentausch)

• Transition: Purinaustausch (A <-> G) oder Pyrimidinaustausch (C <-> T)
• Transversion: Purin gegen Pyrimidinaustausch (A <-> C, A <->T, G <-> C, G <-> T)

• Deletion = Basenverlust

• Insertion = Basengewinn

Genommutation = Numerische Chromosomenveränderung - Fehlverteilung von Chromosomensätzen oder einzelnen Chromosomen

• Aneuploidie: Verminderung oder Vermehrung des euploiden Chromosomensatzes um einzelne Chromosomen (Monosomie oder Trisomien)

• Euploidie: komplette Vervielfachung des haploiden Chromosomensatzes (Diploidie, Triploidie, Tetraploidie)

Chromosomenmutation = Chromosomenzahl ist gleich, Struktur/Architektur ist gestört - Entstehung durch ungleiches crossing-over (endogen), Rekombination/Fusion während Meiose, exogene Einflüsse (Strahlung)

1. Intra-chromosomal
   • Deletion … Löschen von Abschnitten des Chromosoms
   • Duplikation … ein Abschnitt verdoppelt sich in einem Chromosom
   • Inversion … ein Chromosomenabschnitt bleibt am selben Ort, „dreht“ sich allerdings
2. Inter-chromosomal
   • Insertion … ein Abschnitt geht von einem Chromosom auf ein anderes über
   • Translokation … 2 Chromosomen tauschen Abschnitte aus

Fusionen --> Robertson’sche Translokation = Fusion zweier Zentromere bei telozentrischen Chromosomen an meta- bzw. submetazentrisches abweichendes Chromosom, oft bei Wdk (Rd, Schaf) - Folgen: Fruchtbarkeitsstörungen

Somatische Genom- und Chromosomen-Mutationen  alle euploiden oder aneuploiden Veränderungen der Chromosomenzahl und alle Strukturveränderungen können getrennt oder gemeinsam in Tumorzellen als Folge somatischer Mutationen auftreten (akute myeloische Leukämie, chronische myeloische Leukämie)

Multiple Allelie beruht auf Genmutationen