Генетика

текст Катерина Пантюх аспирант кафедры биотехнологии Биологического факультета МГУ им. Ломоносова, научный сотрудник компании "Геноаналитика"

иллюстрация Маша Сусидко (Manun)

Основа племенного животноводства — селекция: нужно повышать экономическую эффективность разведения животных. В случае с коровами это значит — от каждой больше молока и лучшего качества. Продуктивные качества коровы зависят от обоих родителей. Поэтому в основе любой системы селекции лежит оценка способности потенциальных родителей передавать нужные качества потомству. Такая способность, а точнее — уровень генетического потенциала племенного животного и его влияние на хозяйственно полезные признаки потомства называется племенной ценностью (ПЦ) животного. Оценка ПЦ позволяет управлять процессом генетического совершенствования популяции, то есть повышать молочную или мясную продуктивность, улучшать фертильность, обеспечивать рост продуктивного долголетия, а также добиваться сокращения расходов за счет уменьшения заболеваемости и снижения вероятности врожденных дефектов.

Для оценки племенных качеств в России до сих пор используется разработанная еще в 1936 году советскими генетиками Д. Е. Альтшулером и Н. П. Сухановым система отбора быков-производителей по продуктивным и другим качествам рожденных от них дочерей (отбирают именно быков, потому что они за счет искусственного осеменения дают несравнимо больше потомства). Суть методики заключается в сравнительной оценке определенных качеств лактировавших дочерей быков. Таким образом, для расчета "наиболее вероятной ценности быка" и присвоения ему определенной категории необходимо, чтобы, во?первых, он дал потомство, а во?вторых, чтобы рожденные от него телки достигли полового созревания и начали лактацию. Биологические особенности крупного рогатого скота позволяют сделать окончательный вывод о племенной ценности быка-производителя не ранее, чем через 5 - 7 лет. А на протяжении этих лет всех быков — как с высокой ПЦ, так и с низкой — приходится содержать и вести работы по заготовке семенной жидкости, хотя, как показывает практика, только десятая часть из них будет признана улучшателями и использована в разведении. Можно ли оценить способность быка передавать потомкам нужные качества сразу, не дожидаясь пока он вырастет, даст потомство и это потомство начнет давать молоко?

В 2009 году был прочитан геном коровы. По размеру геном коровы сопоставим с геномом человека. Внутри одного вида последовательности генома у каждого его представителя идентичны на 99,9 %, и лишь 0,1 % — так называемые полиморфизмы генома — обусловливают различия между особями. Получение полного сиквенса генома позволило определить в нем места с высокой вероятностью вариации и сконструировать микроматрицы ДНК для генотипирования животных. Генотипирование — метод полно геномного анализа — проще и дешевле секвенирования генома. Суть его в том, что рассматривается не вся последовательность генома, а лишь равномерно распределенные по геному точки, где высока вероятность замены букв относительно референсного генома (так называемых снипов, от англ. SNP — single nucleotide polymorphism). После определения особенностей генома проводят ассоциативные исследования — ищут взаимосвязь между особенностями генома и значимыми признаками, например ПЦ. Полученные корреляции используют для создания математической системы расчета ПЦ для произвольного животного, которая дает возможность определять потенциал быка сразу после рождения. Это сильно ускоряет генетический прогресс популяции за счет сокращения генерационного интервала — минимального времени смены поколений — с 5 - 7 до 2 - 3 лет. Причем точность геномной оценки ПЦ можно довести до 75 - 80 %, что сопоставимо с оценкой по потомкам (70 - 80 %) и значительно превосходит оценку по родителям (30 - 40 %). Систему геномной селекции с 2010 года активно используют в Европе, США, Канаде и других странах. Там все племенные животные проходит обязательный предотбор по геному, и для доращивания и получения спермопродукции оставляют только быков с высоким геномным племенным индексом. В России же этого пока не происходит, что сказывается на эффективности: по данным Минсельхоза РФ, в 2013 г. поголовье в 9 млн коров дало 31 млн литров молока, а, к примеру, в США в этот же период при таком же поголовье было произведено молока почти втрое больше — 90,8 млн литров. И это притом, что в России проблему племенного животноводства традиционно решают покупкой запредельно дорогих иностранных племенных животных. Причем обязательным требованием к такому "золотому бычку" с недавних пор является наличие того самого геномного индекса ПЦ.

Почему же в России не внедрена система геномной оценки ПЦ скота? Проблема в создании референсной популяции — совокупности племенных животных, на основе исследования генома которых будет разрабатываться математическая система расчета геномного индекса. Требования к животным для включения в референсную популяцию достаточно жесткие: для каждого животного должна быть известна продуктивность не менее 10 - 20 потомков. Должен быть собран биологический материал для исследований от каждого быка. Минимальная выборка должна быть не менее 1000, а оптимальная — для получения высокоточного предсказания на уровне 70 - 80 % — 10 - 15 тысяч. Но крупнейшее племенное предприятие России, обеспечивающее 70% российского рынка племенным материалом для воспроизводства и искусственного осеменения крупного рогатого скота, ОАО "ГЦВ", содержит лишь 1010 живых быков-производителей молочного направления продуктивности. Для исследования также требуются высококвалифицированные специалисты и дорогое оборудование.

Но не все безнадежно. Во Всероссийском институте племенного дела (ФГБНУ ВНИИплем) нашлась база данных продуктивности дочерей всех племенных быков, живущих в племенных хозяйствах России. "Мы вместе с научным коллективом "Геноаналитики" готовим эту базу для геномных исследований,— рассказывает замдиректора ВНИИплема Валерий Шаркаев.— Систематизируем и пересчитываем показатели продуктивности с помощью математических моделей, например методом линейного несмешанного прогноза BLUP, уточняем идентификации каждого племенного быка".

При поддержке Министерства образования и науки в "Геноаналитике" собрана коллекция биологического материала племенных быков для формирования первичной российской референсной популяции. В нее вошли образцы от более 1150 племенных быков из 21 племенного предприятия (включая самые крупные: ГЦВ, Уралплемцентр, Кировплем и др.). Образцы уже проанализированы на микроматрицах ДНК — Illumina BovineSNP50 BeadChip., которые позволяют проанализировать более 56 тысяч полиморфизмов генома за раз. В мировой практике именно такой тип микроматрицы считается золотым стандартом для расчета геномного индекса. После получения генотипов были проведены ассоциативные исследования. Для работы были выбраны три основных признака, используемые в селекции молочного направления продуктивности: удой, удельная доля жира в молоке и белка в молоке. Специалисты в области биоинформатики определили взаимосвязи между тысячами полиморфизмов генома Bos taurus и степенью проявления признака. Впервые в мире были получены данные для черно-пестрой голштинизированной породы, преобладающей в молочном животноводстве России. Сейчас создается математическая модель для расчета геномного индекса на выборке животных с известными показателями продуктивности и проверки полученной системы на контрольной выборке. Реальные значения продуктивности для животных из контрольной выборки уже известны. Сравнение реальных значений с теоретически рассчитанными на основе анализа их генома указывают на определенную точность разработанной системы расчета геномного индекса ПЦ — несмотря на скудное количество имеющихся в распоряжении ученых генотипов. "Для повышения точности разработанной системы нам потребуется дополнительное генотипирование образцов для увеличения референсной популяции и последующей калибровки системы,— говорит д-р биологических наук Егор Прохорчук, заведующий лабораторией геномики и эпигенетики позвоночных РАН.— Однако создание даже предварительной системы расчета геномного индекса, первой в России, первой, основанной на отечественной породе,— огромный шаг вперед."