A gímszarvas, Cervus elaphus genom program CerELa1.0 (Wonder Deer Genome CerELa1.0) | Mezőgazdasági Biotechnológiai Kutatóintézet
A gímszarvas, Cervus elaphus genom program CerELa1.0 (Wonder Deer Genome CerELa1.0)
Orosz László MTA rendes tagja, Horn Péter MTA rendes tagja – 2018. június 7., csütörtök, 16:09

A Mezőgazdasági Biotechnológiai Központ (MBK,NAIK, Gödöllő), a Kaposvári Egyetem Állattenyésztési, az ELTE Genetikai, és a SOTE 1. Belgy. Klinika MSc és PhD programjai összefogásával, kizárólagosan hazai erőforrásokból, meghatároztatott a gímszarvas DNS-ének szekvenciája és elkészült a gímszarvas teljes genomjának leírása, amely CerELa1.0 névre kereszteltett. A CerEla1.0 a gímszarvas genom első leírása.

A CerEla1.0 19 éves története során öt egyetem doktori iskolájában (KE, ELTE, SZIE, SOTE, SZBK/SZTE) adott lehetőséget a PhD fokozat megszerzésére. Összesen több mint 50 diák és kutató munkatárs járult hozzá a program haladásához. A CerEla1.0-ről beszámoló közlemény a Molecular Genetics and Genomics –ban (MGG) 2018 Január 2-án jelent meg online : „Nóra Á. Bana, Anna Nyíri, János Nagy, Krisztián Frank, Tibor Nagy, Viktor Stéger, Mátyás Schiller, Péter Lakatos, László Sugár, Péter Horn, Endre Barta, László Orosz: The red deer Cervus elaphus genome CerEla1.0: sequencing, annotating, genes, and chromosomes”. ( https://doi.org/10.1007/s00438-017-1412-3 )

A CerEla1.0. leírja a 33 gímszarvas autoszóma, valamint az X és Y kromoszóma DNS szekvenciáját, a centromeronok helyzetét, 19368 fehérjét kódoló gént (a kérődzők ismert génjeinek 90 %-át), a gének részletes annotációját (pl. funkciók, ortológók más fajokban, exon, intron szerkezet, 5’ és 3’ UTR-ek , stb.), a repetitív szekvenciákat, LTR elemeket, transzfer RNS, kis RNS és riboszóma RNS géneket, mindezen genetikai elemek helyzetét a kromoszómák mentén a DNS szekvenciában. A CerEla1.0 lehetőséget adott 2.8 millió SNP és 365 ezer apró deléció és inszerció (indelek) azonosítására a genom mentén. A CerEla1.0 értékes adatokkal bővítette a kérődzők genom/kromoszóma evolúciójáról (kariológiai evolúció) alkotott képet is. A nyers „genom assembly” hossza 3.4 Gbp, amely korrekció után 2.7 Gbp-ra szűkül.

A CerEla1.0 példázat a genetikai analízis erejére, a kettős referencia alkalmazására, azaz amikor a megcélzott genomról rekombináció alapú géntérképpel rendelkezünk (jelen esetben a gímszarvasé, C.elaphus) és ezt az információt kombináljuk egy közel rokon faj (jelen esetben a szarvasmarha, Bos taurus) genom szekvenciájával. A CerEla1.0-t folyamatosan bővíthető az új ismeretek függvényében, gazdag forrása máris populáció elemzéseknek, eredet vizsgálatoknak, forenzikus, bűnügyi, régészeti, természetvédelmi és vadgazdálkodási felhasználásoknak, teljes genom asszociációs vizsgálatokra (GWAS, Genome Wide Assotiation Studies) ad lehetőséget (pl. leszármazások meghatározása, de ilyen lehet pl. a kapitális agancsok titkának megfejtése is). A CerEla1.0 hasznosult már eddig is és hasznosulhat a jövőben is egyes orvosi/fejlődés biológiai kutatásokban (pl. oszteoporózis, szerv fejlődés/regeneráció, robusztus szövet gyarapodás/tumor biológia). 

Egy kapitális szarvasbika vérmintájából vett DNS-ét szekvenáltuk 74-szeres lefedettséggel (ILLUMINA Technology), majd rendeztük szekvencia szakaszokba az ALLPATH-LG programcsomag segítségével (contigok, scaffoldok). A szarvasbika (Crot 3016) a Kaposvári Egyetem Vadgazdálkodási központja telepén, Bőszénfán élt, természet közeli körülmények között.

A nyers szekvencia szakaszok kromoszómák szerinti rendezéséhez, ill. a kromoszómákon belüli DNS szekvenciák és  gének sorrendjei meghatározásához  a genetika két alapvető összefüggését hasznosítottuk: (i) a géntérképi pontok/kapcsolási csoport pontjai és  elhelyezkedésük sorrendje a valós kromoszómán megegyezik (a Ko-lineáritás tétele), (ii) minél közelebbi evolúciós rokonságban van két faj annál jobban hasonlít géntérképük (az Összehasonlító Géntérképezés elve). Ha a két faj géntérképét párhuzamba állítjuk és közülük egyikük genom szekvenciáját is ismerjük, a másik faj genom szekvenciái halmaza is sorrendekbe rendezhető.

Esetünkben felhasználtuk gímszarvas kromoszómák/kapcsolási csoportok 5.7 cM felbontású géntérképét, a géntérkép 365 pontját (egyik referencia) és a szarvasmarha genom szekvenciáját (NCBI Btau_5.0.1, másik referencia). A gímszarvas géntérkép általunk kiválasztott pontjait/markereit kijelölő DNS szekvencia polimorfizmusok és gének szarvasmarha megfelelői (ortológjai) egyértelműen azonosíthatók voltak a szarvasmarha genom szekvenciában. A géntérképi markerek sorrendje a két fajban számos kromoszóma mentén megegyezett, másutt nagy szakaszokon szintenikus volt, megint másutt a közös Pecora őstől történt evolúciójuk elválása során rögzült inverziókat és transzlokációkat jeleztek. A géntérképi pontok közeit a szarvasmarha genom segítségével feltöltöttük a szekvencia elemekkel (contigok, scaffoldok), a scaffoldokban ellenőriztük a gímszarvas/szarvasmarha gének sorrendjét, kapcsoltságát (szinténiák), a géneket/genetikai elemeket részletesen annotáltuk.  A CerEla1.0 genom szekvencia helyességét a napokban független vizsgálat erősítette meg: a kézirat bírálata idején szintén bírálati szakaszban volt egy angol-újzélandi kutatócsoport által meghatározott, 38 ezer SNP rekombinációs elemzését tartalmazó nagy sűrűségű gímszarvas géntérkép (0.1 cM átlagos felbontású), amely, mint kiderült, tökéletes fedésbe volt hozható a CerEla1.0 szekvenciájával. Megjegyzendő, hogy a kéziratunk leadásakor (MGG) mi elküldtük a CerEla1.0 hozzáférhetőségét a skót-újzélandi kollégáknak, ők azonban csak közleményük megjelenése után tették adataikat elérhetővé számunkra.

A gímszarvas genom programot jelentős OTKA, NKTH (Széchenyi Program), FVM, EÜM pályázati források támogatták az első 9-10 évben, amelyek biztosították a laboratóriumi infrastruktúrák kiépítését és a folyamatos működést. Maga a CerEla1.0 igen szerény költségekből valósult meg, amelyet elsősorban a Kaposvári Egyetem állattenyésztési, vadgazdálkodási és természetvédelmi doktori iskolája és a Földművelésügyi Minisztérium tudományos gyakornoki programja biztosított.

Az utóbbi években a CerEla1.0 számos természetvédelmi célú genom kutatás sikeres elindításának jelentett és jelent bátorítást a „gímszarvas genomon” felnőtt fiatal kutatóknak, ilyen például a nagy ragadozók (medve, farkas, hiúz) magyarországi előfordulásának/vándorlásának igazolása, a vaddisznó állományok nyomon követése genom diagnosztikával, vagy a pannon méh genomjának feltárása és méhészeti alkalmazása.

A CerEla1.0 ambíciót nem kis mértékben motiválta az a kb 20000 év, amely a szarvast az emberi kultúrához köti. Emblematikus, kultikus lény, amelyet tisztelet és csodálat övez (lsd.pl Jankovics M, Bán I. könyvei), újkőkori barlangrajzok, 5-6000 éves ékírások, művészi szobrocskák őrzik alakját, a középkor „Királyi Vad”ja (Royal game), rengeteg szépirodalom hőse az ókortól máig, megjelenése gazdag a magyar irodalomban is (pl. Arany János, József Attila, Áprily Lajos, Weöres Sándor), több nép mitológiájának szereplője, a magyar mitológiának is központi alakja , a református és evangélikus zsoltár dicsőiti (42. „Mint a szarvas hűs forrás vízére…”), képzőművészeti alkotások, fotóművészet tárgya (lsd. Gyarmati Csaba: „Hungaricum”, természetfilm és művészfilm szereplője (lsd.  Homoki Nagy István, Gyöngyvirágtól lombhullásig; Enyedi Ildikó Test és lélek). A világelső trófeákról sem feledkezhetünk meg, amelyek a Kárpát Medencében „teremnek”, nemzeti büszkeségünkre.

A Vadászati Világkiállítást 2021-ben Magyarország rendezi. Vadászati/trófea minőségét tekintve Magyarországon, elsősorban Gemencen és a Dél Dunántúlon él a világ legkiválóbb gímszarvas populációja. Ez nemzeti kincs. Noha a gímszarvas programot megvalósítók egyike sem vadász, nagy többségük még vadászatot sem látott még és a szarvasok pártján a szíve, örömünkre lenne, ha a Világkiállítás Magyar Pavilonjában a rekord trófeák mellett a CerEla1.0 is helyet kapna.

Gyarmati Csaba: Hungaricum

Programajánló

Jelenleg nincs aktuális esemény.