Co wiemy o genotypowaniu?

Genotypowanie to proces określania lub sprawdzania genetycznej charakterystyki zwierzęcia za pomocą technik molekularnych. Zwykle sprowadza się do analizy sekwencji poszczególnych nukleotydów w określonych rejonach DNA w celu identyfikowania genów. Chociaż znany jest w Polsce nie od dzisiaj – bo od sezonu oceny 2014.2, gdy ocena genomowa została uznana u nas za oficjalną – to wciąż jest niedoceniany i chyba nie do końca zrozumiały. Dlatego postanowiliśmy po raz kolejny wyjaśnić ideę tego procesu. Naszym przewodnikiem po dość skomplikowanym genetycznym świecie jest pan Dariusz Kamola, kierownik Laboratorium Genetyki Bydła PFHBiPM w Parzniewie.

tekst: MATEUSZ UCIŃSKI

Panie Darku, zacznijmy od wyjaśnienia: genomowanie czy genotypowanie? Jest jakaś różnica między tymi pojęciami?
Pojęcia te możemy stosować w miarę wymiennie. Są pewne różnice, ale na poziomie powszechnym spokojnie możemy używać takich właśnie określeń, i nie będzie to błędne.

Czym zatem jest genotypowanie?
Generalizując, aby wytłumaczyć znaczenie tego pojęcia, musimy zacząć od tego, jak dziedziczymy różne cechy, czym jest samo dziedziczenie i czym jest informacja genetyczna. Wszyscy wiemy ze szkoły, że mamy DNA, w którym zawarte są kompletne informacje o całym naszym organizmie. Informacje te są przekazywane dzieciom, stąd nieprzypadkowo są one podobne do rodziców. Genotypowanie jest techniką pozwalającą nam odczytać informacje zawarte w DNA. Jak wszyscy wiemy, DNA przedstawia się jako dwa spiralnie skręcone łańcuchy. Jest to bardzo stabilna struktura, podobna w przypadku różnych gatunków. To podobieństwo jest jeszcze większe między osobnikami tego samego gatunku, ale obecne różnice, często niewielkie, powodują, że poszczególne organizmy istotnie różnią się od siebie bądź są zdrowe lub chore. Przykładem może być choroba BLAD (syndrom wrodzonego braku odporności), gdzie o tym, czy zwierzę zachoruje na tę chorobę, decyduje tylko jeden nukleotyd – jedno ogniwko w łańcuchu. Naszym zadaniem w genomowaniu jest właśnie szukanie tych pojedynczych ogniwek, tak aby dzięki temu identyfikować pewne cechy lub choroby. Dysponujemy listą 54 tys. takich markerów, co pozwala na szybką identyfikację. Czyli de facto nie czytamy całego łańcucha DNA, ale sprawdzamy 54 tys. interesujących nas punktów. Dzięki temu możemy to robić dość sprawnie i tanio, a badając wspomniane powyżej punkty, mamy ogólny pogląd na całą informację genetyczną danego osobnika. Wiemy na przykład, że zwierzę będzie dawało β-kazeinę A2A2, będzie bezrożne i do tego czerwone. Stosowana przez nas technika bada tylko pojedyncze zmiany w DNA, ale są one wystarczające, by mieć obraz całości. Oczywiście istnieją techniki pozwalające przeczytać dokładnie cały łańcuch DNA (to ok. 3 mld parazasad), są jednak bardzo czasochłonne, a do tego bardzo drogie. Trzeba tu zaznaczyć, że sama wartość informatywna wyniku nie będzie wcale o wiele większa od badań, które prowadzimy w naszym laboratorium. Tak naprawdę bardzo często nie musimy mieć pełnej informacji, wystarcza nam właśnie ten marker pojedynczego ogniwa w całym łańcuchu.

Co się dzieje z danymi, które uzyskujecie w laboratorium po sprawdzeniu wspomnianych przez Pana markerów genetycznych?
Dane są obrabiane na trzy sposoby, tak jak mamy trzy usługi w naszej ofercie. Najprostszą z nich jest analiza cech jednogenowych. W tym przypadku wiemy, czy dany gen jest w formie A czy B i po prostu sprawdzamy z wzorcem, jaki da to efekt w fenotypie; tak to działa np. w wypadku genu bezrożności. Sytuacja się komplikuje w przypadku cech bardziej złożonych, jak na przykład kolory zwierząt czy ĸ-kazeina, gdzie potrzebujemy danych już z co najmniej dwóch punktów, które musimy przetworzyć i poddać porównaniu, aby podać finalną informację prawidłowo. Jest to dość proste działanie, gdyż bierzemy czyste dane i odczytujemy bezpośrednio.

Taka metodologia sprawdza się także w innych przypadkach?
Podobny mechanizm występuje przy kontroli pochodzenia, z tą różnicą, że w takim przypadku pod uwagę branych jest już 200 takich punktów w łańcuchu DNA. Wszystkie stworzenia – obojętnie, czy ludzie, psy, koty czy interesujące nas krowy – są diploidalne, co oznacza, że każdy gen występuje w dwóch kopiach. Jedną kopię genu osobnik dostaje od matki, a drugą od ojca. Krowy posiadają 30 par chromosomów, jeden chromosom z pary zwierzę dziedziczy od matki, drugi od ojca, a na każdym chromosomie każde ogniwko będzie miało jakąś wartość – przypuśćmy, że A. Na jednym może mieć A, na drugim może mieć B. W dowolnej konfiguracji, czyli AA, BB, AB. Kontrola pochodzenia polega na tym, że bierzemy 200 punktów w DNA, ustalonych dla całego świata, bo jest to standard międzynarodowy, i szukamy sytuacji, w których takie odziedziczenie jest niemożliwe. Czyli jeżeli ojciec ma w punkcie nr 1 genotyp BB, a potomek ma AA, to jest teoretycznie niemożliwe, żeby coś takiego nastąpiło, bo od ojca musi pochodzić jeden chromosom, a od matki drugi. Czyli skoro ojciec ma dwa razy B, to może dać tylko B, matka może dać cokolwiek innego, ale nie może być takiej sytuacji, że schowa gdzieś ojcowską cechę. Skoro ojciec jest BB, a potomek AA, mamy do czynienia z tzw. konfliktem. Dopuszcza się do trzech konfliktów na 200, uznając za wielce prawdopodobne, że to jest ojciec tego potomka. Jeśli jest więcej tych konfliktów – niezgodności w chromosomach – to bazując na odpowiednich tabelach, określamy, czy pochodzenie jest wątpliwe, czy wręcz wykluczymy możliwość takiego pokrewieństwa.

Genetyka krowy w wersji cyfrowej

Proszę powiedzieć, jaką korzyść ma przeciętny polski hodowca z genotypowania sztuk z własnego stada?
Praktyczna wartość, korzyść wynikająca z genomowania jest ogromna! Spójrzmy chociażby na to, czym jeszcze zajmuje się nasze laboratorium we współpracy z Instytutem Zootechniki PIB – szacowaniem genomowej wartości hodowlanej. Odbywa się ono już z wykorzystaniem równań predykcji, czyli stosowana jest dość skomplikowana, wyższa matematyka, która pozwala nam na podstawie otrzymywanej z genomu informacji oszacować, określić, jak dobre będzie to zwierzę. O ile w przypadku cech jednogenowych możemy to bezpośrednio przełożyć, to w przypadku wielu innych cech, na przykład umięśnienia, jest to warunkowane przez kilkanaście genów i, jak nietrudno się domyślić, w takim przypadku potrzebny jest o wiele bardziej skomplikowany aparat obliczeniowy, który pozwoli nam stwierdzić, jakie będzie to zwierzę.

W praktyce, jeżeli chodzi o korzyści z genotypowania, wykorzystanie informacji o pochodzeniu danej sztuki jest najprostsze, ponieważ pozwala weryfikować wiele innych danych, takich jak to, czy na przykład nie popełniliśmy błędu przy kolczykowaniu, lub czy dane rejestracyjne się zgadzają. Informacje te są również ważne przy szacowaniu wartości genomowej, gdyż zawierają komponent rodowodowy, wykluczający błędy wynikające z nieprawidłowego określenia pochodzenia zwierzęcia. Wracając jeszcze do kontroli pochodzenia, należy zwrócić uwagę, że jest to niezwykle ważne z przyczyn formalnych, dajmy na to w momencie jakiegokolwiek audytu, chociażby z Państwowej Inspekcji Weterynaryjnej, koncentrującego się na poprawności zapisów hodowlanych czy raportowania.

Bardzo przydatne jest określanie cech jednogenowych, zwłaszcza w trosce o zdrowotność swojego stada, oraz przy tworzeniu tzw. subpopulacji produkcyjnych o szczególnych cechach sprzyjających pozyskiwaniu surowca wysokiej wartości. Przykładem tego może być subpopulacja krów skoncentrowana na produkcji serów w oparciu o ĸ-kazeinę czy subpopulacja oparta o β-kazeinę A2A2, przeznaczona do produkcji mleka o obniżonej alergenności. Inną, dość oczywistą korzyścią wynikającą z genotypowania, jest unikanie chorób genetycznych w naszym stadzie, bo przecież nikomu nie zależy na posiadaniu w swojej hodowli takich zwierząt, które mogą mieć podobne obciążenia.
Wróćmy jeszcze do szacowania genomowej wartości hodowlanej, które może bardzo pomóc każdemu gospodarstwu produkującemu mleko.

Szacowanie genomowej wartości hodowlanej ma ogromne znaczenie, ponieważ pozwala na kilka rzeczy. Jedną z nich jest bardzo wczesna selekcja w stadzie. Jeżeli dysponujemy nadmiarem materiału biologicznego i możemy sobie pozwolić na sprzedaż cieliczek czy jałówek, to pozwala nam to na bardzo szybkie wybranie zwierząt, które chcemy sprzedać ze stada. Dzięki temu możemy decydować, że akurat te krowy powinniśmy zostawić w swojej hodowli, bo mają bardzo duży potencjał genetyczny, zatem odchowujemy je i później będziemy o nie szczególnie dbali i inseminowali je nasieniem odpowiednio dobranych buhajów, aby tworzyć linię sztuk o cechach najbardziej nam odpowiadających. Z drugiej strony mamy grupę zwierząt o niespecjalnie zachwycającym potencjale genetycznym, w które niekoniecznie opłaca się inwestować i lepiej jest czasami je przekwalifikować po prostu na hodowlę mięsną, ewentualnie bez problemu decydować się na ich sprzedaż komuś, kto ma inne preferencje w swoim stadzie i nasze sztuki będą akurat dla niego interesujące. Jest to przydatne, gdyż w ciągu miesiąca do dwóch możemy mieć informacje o tym, które zwierzęta warto zachować w hodowli, a które nie. Biorąc pod uwagę to, ile kosztuje dzienne utrzymanie cielaka w gospodarstwie i jego odchów, kalkulacja zysków i strat wsparta genomowaniem staje się bardzo prosta.

Innym wykorzystaniem szacowania genomowej wartości hodowlanej są dobory do kojarzeń. Jeżeli mamy zwierzęta o wybitnym genotypie, to prawdopodobnie będziemy chcieli je pokryć wybitnym nasieniem, często seksowanym, żeby mieć pewność, że otrzymamy interesujący nas materiał biologiczny. Mając wybitne krowy, chcemy mieć po nich wybitne córki, to logiczne! W przypadku sztuk o mniejszym potencjale te możemy pokryć tańszym nasieniem konwencjonalnym, bo one już nie mają takiego potencjału hodowlanego i ich zadaniem jest przede wszystkim produkcja mleka. Z kolei zwierzęta o bardzo przeciętnej, czy wręcz niskiej wartości hodowlanej i niskim potencjale genetycznym, opłaca się kryć na przykład nasieniem buhajów mięsnych, ze względu na to, że otrzymany w ten sposób materiał biologiczny, będący mieszańcem mięsno-mlecznym, będzie osiągał wyższe wartości skupowe. Jest to naturalnie decyzja uzasadniona w jak największym stopniu względami ekonomicznymi i pozwalająca na optymalizację naszej hodowli i osiąganie jak najwyższych zysków.

Jak zatem Pańskim zdaniem powinno się traktować genotypowanie z punktu widzenia hodowcy i producenta mleka?
Genotypowanie przede wszystkim powinno się traktować jako inwestycję w zysk gospodarstwa, zwłaszcza że nie stanowi dużego kosztu, a dostarcza ogromnej liczby informacji pozwalających na podejmowanie rozsądnych decyzji hodowlanych, które na pewno zaprocentują w przyszłości. Dzięki temu wiemy, jaki mamy potencjał w stadzie, czy nie mamy obciążonych chorobami genetycznymi sztuk, i tak naprawdę podpowiada nam ekonomiczne prowadzenie naszej hodowli. Prosty przykład: jedna wizyta lekarza weterynarii u chorej krowy jest droższa niż jej genotypowanie, dzięki któremu wiemy w dużym stopniu także o jej potencjalnej zdrowotności. Poza tym należy wspomnieć, że w tej chwili Polska Federacja Hodowców Bydła i Instytut Zootechniki w Balicach pracują nad oceną genomową kolejnych, nowych cech bydła mlecznego, na przykład nad zdrowotnością racic, analizowaną przez Centrum genetyczne PFHBiPM, czyli zapewne pula informacji otrzymywanych dzięki badaniom genetycznym niebawem się powiększy. 

Zbliżające się wydarzenia