Die sechsjährige Anstrengung umfasste ein internationales Konsortium von Forschern und ist die erste vollständige Genomsequenz einer Wiederkäuerart. Wiederkäuer zeichnen sich dadurch aus, dass sie einen vierkammerigen Magen haben, der es ihnen mit Hilfe einer Vielzahl von ansässigen Mikroben ermöglicht, Futter von geringer Qualität wie Gras zu verdauen.
Das Rindergenom besteht aus mindestens 22.000 proteinkodierenden Genen und ist dem des Menschen ähnlicher als dem Genom von Mäusen oder Ratten, berichten die Forscher. Das Rindergenom scheint jedoch erheblich reorganisiert worden zu sein, da seine Abstammung von der anderer Säugetiere abweicht, sagte Harris Lewin, Professor für Tierwissenschaften an der Universität von Illinois, dessen Labor die hochauflösende physikalische Karte der Rinderchromosomen erstellte, die zur Ausrichtung der Sequenz verwendet wurde. Lewin, der das Institut für Genomische Biologie leitet, leitete auch zwei Forscherteams am Sequenzierungsprojekt und ist Autor eines perspektivischen Artikels in Science über die Bovine Genome Sequence und einer begleitenden Studie des Bovine Genome and Analysis Consortium.
„Unter den Säugetieren haben Rinder eines der stärker umgelagerten Genome“, sagte Lewin. „Sie scheinen mehr Translokationen und Inversionen (von Chromosomenfragmenten) zu haben als andere Säugetiere wie Katzen und sogar Schweine, die eng mit Rindern verwandt sind.
„Der Mensch ist eigentlich ein sehr konserviertes Genom im Vergleich zum Ahnengenom aller Plazenta-Säugetiere, wenn man seine Gesamtorganisation betrachtet.“
Die Sequenz der 29 Chromosomenpaare der Kuh und ihres X-Chromosoms (das Y-Chromosom wurde nicht untersucht) bietet auch neue Einblicke in die Evolution von Rindern und die einzigartigen Merkmale, die Rinder für den Menschen nützlich machen, sagte Lewin.
Zum Beispiel führte Illinois Animal Sciences Research Professor Denis Larkin eine Analyse der Chromosomenregionen durch, die anfällig für Brüche sind, wenn eine Zelle ihr Genom repliziert, um sich auf die Bildung von Spermien und Eizellen vorzubereiten. Er zeigte, dass diese Haltepunktregionen im Rindergenom reich an repetitiven Sequenzen und segmentalen Duplikationen sind und artenspezifische Variationen in Genen enthalten, die mit Laktation und Immunantwort assoziiert sind.
Eine frühere Studie aus Lewins Labor, die diesen Monat in Genome Research veröffentlicht wurde, zeigte, dass die Haltepunktregionen der Chromosomen vieler Arten reich an duplizierten Genen sind und dass sich die Funktionen der in diesen Regionen gefundenen Gene signifikant von denen unterscheiden, die anderswo in den Chromosomen vorkommen.
Diese Wiederholungen und segmentalen Duplikationen treten mittels vieler verschiedener Mechanismen auf, von denen einer sporadische und wiederholte Insertionen von kurzen Bits genetischen Materials, Retroposons genannt, in das Genom beinhaltet.
„Das Kuhgenom hat viele Arten von Wiederholungen, die sich im Laufe der Zeit ansammeln“, sagte Lewin. „Und eines der Dinge, die wir gefunden haben, ist, dass die neuen in die alten in den Haltepunktregionen eindringen und sie auseinander brechen. Das ist das erste Mal, dass man das sieht.“
„Die Wiederholungen machen viele Dinge“, sagte er. „Sie können die Regulation der Gene verändern. Sie können die Chromosomen instabil machen und sie eher mit anderen Chromosomenstücken unangemessen rekombinieren lassen.“
Lewin nennt die Breakpoint-Regionen „Hotspots der Evolution im Genom.“
Eine weitere Analyse unter der Leitung von Lewin, eine Studie über metabolische Gene, durchgeführt von Seongwon Seo, einem Postdoktoranden in Lewins Labor und jetzt Professor an der Chungnam National University in Südkorea, ergab, dass fünf der 1.032 Gene, die metabolischen Funktionen beim Menschen gewidmet sind, im Rindergenom fehlen oder radikal auseinander gegangen sind. Dies deutet darauf hin, dass Rinder einige einzigartige Stoffwechselwege haben, sagte Lewin.
Diese Unterschiede im Stoffwechsel, zusammen mit Veränderungen in Genen, die der Fortpflanzung, Laktation und Immunität gewidmet sind, sind ein großer Teil dessen, „was eine Kuh zu einer Kuh macht“, sagte Lewin.
Zum Beispiel produziert eines der veränderten Gene, Histamin, ein Protein in Kuhmilch, das antimikrobielle Eigenschaften hat. Die Forscher fanden auch mehrere Kopien eines Gens für ein wichtiges Milchprotein, Casein, in einer Haltepunktregion eines der Chromosomen.
„Die Genomsequenz ist jetzt das Fenster, um zu verstehen, wie diese Veränderungen auftraten, wie Wiederkäuer einen Magen mit vier Kammern anstelle von einem hatten, wie das Immunsystem der Kuh funktioniert und wie es in der Lage ist, große Mengen an Protein in seiner Milch abzuscheiden“, sagte Lewin.
Das Sequenzierungsprojekt und die Analyse wurden von Richard Gibbs und George Weinstock vom Baylor College of Medicine koordiniert; Chris Elsik von der Georgetown University; und Ross Tellam von der Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization of Australia (CSIRO). Lawrence Schook, Professor für Tierwissenschaften an der Universität von Illinois, gehörte zu dem Team, das das Weißbuch zum Sequenzierungsprojekt verfasste, das maßgeblich zur Finanzierung der Initiative beigetragen hat.
Die Finanzierung des Projekts zur Sequenzierung des Rindergenoms wurde von einer internationalen Gruppe bereitgestellt, die aus dem National Human Genome Research Institute der National Institutes of Health, dem USDA Research Service, einem Sonderzuschuss der USDA Cooperative State Research, Education and Extension Service (CSREES) National Research Initiative, dem Bundesstaat Texas und dem; Genome Canada durch Genome British Columbia; die Alberta Science and Research Authority; CSIRO; Agritech Investments Ltd., Neuseeland; Dairy Insight Inc., Neuseeland; AgResearch Ltd., Neuseeland; der Forschungsrat von Norwegen; die Kleberg Foundation; und die National, Texas und South Dakota Beef Check-off Funds.
Die Arbeiten in Illinois wurden mit Mitteln der USDA CSREES National Research Initiative und eines USDA-CSREES Special Grant für die Livestock Genome Sequencing Initiative durchgeführt.
Zusammen mit den wissenschaftlichen Arbeiten veröffentlichten die Forscher 20 Begleitberichte, in denen detailliertere Analysen der Genomsequenz von Hausrindern in Zeitschriften des Open-Access-Verlags BioMed Central beschrieben wurden. Alle Artikel sind unter http://www.biomedcentral.com/series/bovine frei zugänglich.