Mohou spolupracovat kvantitativní a molekulární genetika?

V posledních 50 letech došlo k výraznému zvýšení užitkovosti v chovu hospodářských zvířat. Toto zvýšení bylo podmíněno systematickým šlechtěním založeným na umělé selekci a hybridizaci. Selekce vycházela z pozorovaných fenotypových hodnot, které representují celkový efekt složený z vlivu genů a prostředí, a na znalosti populačních genetických parametrů, jako jsou heritabilita, genetické variance a korelace. Pro mnoho druhů, plemen atp. byly vytvořeny a implementovány procesy testování a selekce s cílem zvýšení genetického založení fenotypu u jednotlivých druhů, plemen a linií. Toto zlepšení je uskutečňováno především pomocí opakované selekce a introgrese, která ovlivňuje především aditivní složku genetické variance. Zvyšování užitkovosti bylo a je prováděna také pomocí meziliniových a meziplemenných křížení (hybridizace) využívající heterozního efektu (vycházející z neaditivní složky genetické variance). Všechny tyto metody, byly prováděny bez znalosti o genetickém založení užitkových znaků.

Jak již bylo řečeno v úvodu šlechtění bylo vždy založeno na principech kvantitativní genetiky, která vychází z Fisherova infinitesimálního modelu.

Ačkoliv tato teorie má řadu chyb, bylo pomocí metod na ní založených dosaženo velkého pokroku ve šlechtění. Vlastní selekce jedinců či populací může být prováděna na základě mnoha ukazatelů. V současné době je nejrozšířenější selekce na základě plemenné hodnoty (breeding value). Plemenná hodnota může být odhadována pomocí mnoha metod. V současné době je nejvyužívanější  metoda BLUP-AM. Tato metoda se snaží o co nejpřesnější odhad genetického založení jedince. Pro odhad plemenné hodnoty je nutná znalost genetických parametrů (heritabilita, genetické variance a korelace) které jsou odhadnutelné pomocí statistické analýzy fenotypových informací jedince a příbuzných jedinců.

V poslední době se však začíná zjišťovat, že šlechtění na základě principů a metod zmíněných výše, má svoje limity. Tyto limity jsou dány tím, že odhad genetického založení jedince není přesné (především u znaků s nižšími hodnotami koeficientu heritability) /jde přece stále jen o odhad/; některé znaky se projevují jen u některého pohlaví, a nebo až v pozdním věku, případně jsou zjistitelné až po poražení zvířete. Ideální situace pro kvantitativní genetiku, je pokud znak vykazuje vysoký koeficient heritability a je zjistitelný u každého jedince v předreprodukčním věku (tento stav je však spíše výjimkou. U znaků s nízkým koeficientem heritability (jsou podmíněny neaditivní složkou genotypové variance) je možné využít k zvýšení konečné užitkovosti křížení mezi divergentními plemeny a liniemi, kdy se předpokládá, že u potomstva se projeví efekt heterose (to se využívá především v chovu prasat a drůbeže).

Díky rozvoji molekulárních metod a výpočetní techniky se v poslední době daří nalézat na chromosomech lokusy, které mají příčinný vztah k vývoji kvantitativních znaků. Tyto lokusy, u kterých se předpokládá, že obsahují polymorfismy mající vliv na vývoj kvantitativního znaku, se označují jako QTL (Quantitavie Trait Loci; lokusy kvantitativních znaků). Je samozřejmé, že s růstem znalostí o QTL se rozšiřují i úvahy o jejich využití v chovu a šlechtění hospodářských zvířat, jako možnosti vylepšení či nahrazení metod založených pouze na kvantitativní genetice.

Za významně působící QTL se v genetice kvantitativních znaků považuje lokus tehdy, když rozdíl mezi průměrnými hodnotami zvířat s odlišnými homozygotními genotypy, je rovný nebo vyšší než jedna fenotypová odchylka.

Kvantitativní genetika ve věku genomiky

Moderní kvantitativní genetika je ovlivněna rozvojem metod mapování QTL, sekvencování, genotypování, dále snižování nákladů na tyto metodiky a rozvojem výpočetní techniky. Rozvoj různých biotechnologií v oblastech reprodukční biologie (celý organizmus, klonování, embryotransfer, …) a rekombinantní DNA technologie (transgenní organizmy) budou mít také důležitý vliv.
Otázka zní, jak dostupnost těchto nových biologických a počítačových nástrojů ovlivní budoucnost kvantitativní genetiky? Kvantitativní genetika se významně uplatňuje v oblastech humánní genetiky, evoluce a šlechtění. Ačkoliv obecné cíle jsou stejné (určení jak genetické a prostřeďové faktory přispívají na pozorovanou varianci dané vlastnosti v nebo mezi populacemi), jejich specifické cíle jsou různé. Humánní genetikové se zaměřují na hledání genotypů citlivých k nemocem a jejich asociace s rizikovými faktory. Šlechtitelé jsou zaměřeni na maximalizaci genetického zisku a rovnováhy. Evoluční genetikové se zaměřují na studium genetické struktury studovaných vlastností v populacích a vyvozování jejich evoluční historie a jejich potenciální budoucí vývoj. Klasická kvantitativní genetika dosud významně sloužila všem těmto skupinám vědců. Jak se jí bude dařit v budoucnu a jak moc se bude lišit od současných přístupů?

Využití polygenů v selekci

Chceme selektovat zvířata s nejlepšími alelami genů, protože zanechají po sobě potomstvo s lepší užitkovostí. To platí pro geny velkého i malého účinku. Ale metody využívané pro polygeny jsou založeny na výběru podle pozorovaných fenotypových hodnot a to je docela efektivní pro vybrání nejlepších genů. Příbuzní mají část svých genů stejné. Pak lze vyvodit, jak nám užitková hodnota příbuzných jedinců vypovídá o kvalitě genů toho zvířete. Užitkovost příbuzných jedinců nám pomůže odhadnout hodnotu jeho genů. Větší příbuzenské vzdálenosti způsobí menší podíl stejných genů. Metoda takového genetického hodnocení se nazývá BLUP, která hodnotí pozorované hodnoty jedinců a jejich příbuzných, aby získala nejlepší odhady plemenné hodnoty. Selekce založená na plemenné hodnotě nezahrnuje geny velkého účinku, které nejsou touto metodou detekovatelné. Pokud lze určit jednotlivé geny velkého účinku, lze jít dále za jednoduchý BLUP.

Kombinovaný přístup – kvantitativně molekulární

Většina genetického zisku u kvantitativních vlastností u hospodářských zvířat je vytvořeno selekcí na fenotyp nebo odhadem plemenných hodnot odvozených z fenotyp, bez znalosti počtu genů podmiňujících vlastnost nebo efektů každého z genů (vychází se jen z odhadované genetické variability – aditivní složky). Genetická architektura vlastnosti byla označována jako „černá skříňka“. Navzdory tomu, byl dosahován značný stupeň genetického zlepšování v populacích zvířat na základě kvantitativně genetického přístupu. Jasným důkazem je síla těchto metod selekce.

To však neznamená, že kdybychom se mohli podívat do té „černé skříňky“ genů kvantitativní vlastnosti a použili jejich informaci, že by nedocházelo k lepším selekčním rozhodnutím. V současné době lze sledovat velký rozmach studia genomů jedinců a populací na úrovni DNA. Molekulární genetika poskytuje nové nástroje. Bylo zmapováno mnoho genů , které mají tzv. větší účinek (major gen) na kvantitativní vlastnost (označuje se jako lokus kvantitativních vlastností, QTL) a genetické markery, které jsou ve vazbě s QTL (např. RYR1, ESR, RN, …) pro různé vlastnosti – kvalita masa, reprodukce, nemoce. Ačkoli se jedná o vrchol ledovce, neustále se mapují nové a nové oblasti v genomech hospodářských zvířat s výrazným efektem na nějakou užitkovou vlastnost. V každém případě dochází k poznávání genů „černé skříňky“.  To vede k situaci jaká je zobrazena na obrázku dole, v kterém předpokládáme znalost o určitých genech, jejichž informace je dále vztažena k fenotypovým informacím. Na fenotypová data se nebudeme muset ohlížet až v okamžiku, kdy budeme znát všechny geny (lokalizované, sekvencované a určené jejich efekty).

Většina užitkových vlastností je ovlivněna mnoha geny, ale některé z těchto genů se mohou podílet větší mírou na variabilitě těchto vlastností. Moderní selekční metody jsou založeny na využívání variability genů s malým účinkem (polygeny) – aditivní genetická variabilita, která se používá pro odhad PH. Genetické markery jsou nyní využívány k detekci a vysvětlení genů velkého účinku (QTL). Uvažuje se také o jejich zařazení jako jeden z nástrojů ve šlechtění.

Aktualizováno: 07.10.2008