Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Molecular genetic analysis of bilateral convergent strabismus with exophthalmus in German Brown cattle

Mömke, Stefanie Hedwig

The objective of the present thesis was to map gene loci responsible for bilateral convergent strabismus with exophthalmus (BCSE) in German Brown cattle on the bovine genome and to identify positional candidate genes for this eye defect. To achieve this aim, a genome scan over all autosomes was carried out. The linkage analysis showed the existence of two putative gene loci involved in the development of BCSE in cattle. These putative BCSE loci were located on the bovine chromosomes 5 and 18, respectively. For both regions a total of five potential candidate genes were selected from the syntenic human genomic regions on human chromosomes 12 and 19, respectively. The genes were located in the bovine genome by fluorescence in situ hybridisation (FISH) and radiation hybrid (RH)-mapping. Genomic regions and the selection of further positional candidate genes in cattle can be expediently reconnoitred by comparative mapping of the bovine and human genomes. Although different RH maps for bovine chromosomes (BTA) 5 and 18 have been previously published, the breakpoints of synteny within the proximal part of BTA 5 and the telomeric part of BTA 18 in comparison to the human chromosomes 12 and 19 had not been precisely defined. In this study we constructed high resolution comparative maps of the 12.8 to 74.0 cM region of BTA 5 and the 70.5 to 84.7 cM region of BTA 18 to improve breakpoint resolution in the human-bovine comparative map. That way the gaps in the bovine maps of these respective chromosomal regions were narrowed to a minimum. Furthermore, ten new microsatellites and 22 new SNP-markers were developed by sequencing BAC ends. Of these 32 new markers, 15 informative SNPs were used for fine mapping of the two genomic locations for BCSE identified by the whole genome scan. The inclusion of the SNP markers lead to higher peaks of the test statistics at each one location of BTA 5 and 18 as compared to the whole genome scan where only microsatellites were used. Regarding BTA 5, the highest Zmean was reached at 40.6 cM (BMC1009). For BTA 18, the highest values were reached at 84.7 cM (TGLA227). However, heterogenity of the family material used was obvious. While all families showed highly significant values for the location on BTA 5, not all of them showed obvious significance for the location on BTA 18. These results indicate that the major dominant gene causing BCSE is located on BTA 5. The gene on BTA 18 might also be able to cause the defect independently with a dominant inheritance or it might affect characteristics of BCSE like retarding the time of onset or the progression of BCSE.

Das Ziel dieser Arbeit war die Kartierung von Genorten im Rindergenom, die verantwortlich für die Entstehung des Krankheitsbildes des bilateral konvergierenden Strabismus mit Exophthalmus (BCSE) beim Deutschen Braunvieh sind. Zudem sollten positionelle Kandidatengene für diesen Augendefekt bestimmt werden.  Um diese Ziele zu erreichen wurde zunächst ein Genomscan unter Verwendung von Mikrosatellitenmarkern über alle Autosomen durchgeführt. Die folgende Kopplungsanalyse ergab zwei putative Genorte, mit denen der Phänotyp des BCSE gekoppelt vererbt wurde. Diese Genorte befanden sich auf den Rinderchromosomen (BTA) 5 und 18.  Für diese Regionen wurden insgesamt fünf Kandidatengene aus den syntänischen menschlichen Genomregionen auf den humanen Chromosomen (HSA)  12 und 19 ausgewählt. Die genauen Genlokalisationen im Rindergenom wurde mittels Fluoreszenz in situ Hybridisierung (FISH) und Radiation Hybrid (RH)-Kartierung festgestellt. Um die Auswahl weiterer positioneller Kandidatengene und genetischer Marker für den BCSE des Rindes zu ermöglichen wurden vergleichende Kartierungen der humanen und bovinen Genomregionen durchgeführt. Obwohl in der Vergangenheit bereits verschiedene RH-Karten für die bovinen Chromosomen 5 und 18 publiziert wurden, waren die Bruchpunkte in der Syntänie zwischen Rind und Mensch innerhalb des proximalen Abschnitts auf  BTA 5 und des telomeren Abschnitts auf BTA 18 im Vergleich mit HSA 12 und HSA 19 noch nicht genau bestimmt worden.  Daher wurden im Rahmen dieser Arbeit hochauflösende vergleichende Genkarten des 12.8 bis 74.0 cM Abschnitts auf BTA 5 und des 70.5 bis 84.7 cM Abschnitts auf BTA 18 angefertigt um die Auflösung der Bruchpunkte zu verfeinern und die zwischen den früheren Karten aufgetretenen Widersprüche zu klären. Auf diese Weise wurden die Bruchpunkte der Syntänie in den genannten bovinen Genomregionen stark verfeinert und auf ein Minimum eingegrenzt.      Weiterhin wurden zehn neue Mikrosatelliten und 22 neue SNP-Marker nach Sequenzierung von BACs sowie BAC-Enden entwickelt. Von diesen insgesamt 32 Markern wurden 15 informative SNPs für die Feinkartierung entsprechend ihrer Lokalisation ausgewählt. Diese SNPs verteilten sich auf die zwei Genomregionen für den BCSE, die durch den Genomscan ermittelt worden waren.  Durch den Einsatz dieser zusätzlichen Marker ergaben sich höhere Werte in der statistischen Auswertung an je einer Lokalisation auf BTA 5 uns BTA 18 verglichen mit dem Genomscan, bei dem nur Mikrosatelliten verwendet wurden. Auf BTA 5 wurde der höchste Zmean-Wert bei 40.6 cM an der Position des Markers BMC1009 erreicht. Der höchste Wert auf BTA 18 lag bei 84.7 cM und somit an der Position des Markers TGLA227. Zusätzlich wurden Unterschiede zwischen den Familien deutlich. Während alle Rinderfamilien hochsignifikante Werte für die Region auf dem Rinderchromosom 5 zeigten waren die Werte auf BTA 18 nicht für alle Familien gleich signifikant. Familien, die wegen eines sehr späten Manifestationsalters aufgefallen waren zeigten höher signifikante Werte auf BTA 18. Die aufgeführten Ergebnisse lassen den Schluß zu, daß das Hauptgen für den BCSE auf BTA 5 lokalisiert ist. Das Gen auf Chromosom 18 dürfte das Erscheinungsbild des BCSE hinsichtlich des Manifestationsalters oder der Progressionsgeschwindigkeit modifizieren.  Dennoch nicht auszuschließen sind ein digener Erbgang oder zwei unabhängig voneinander agierende Gene.

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Mömke, Stefanie Hedwig: Molecular genetic analysis of bilateral convergent strabismus with exophthalmus in German Brown cattle. Hannover 2004. Tierärztliche Hochschule.

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