Biotechnology applied in animal breeding

เทคโนโลยีชีวภาพทางสัตว์ Probiotics Prebiotics Immunobiotics Xenobiotics Single cell protein Nutrition Artificial insemination Embryo transfer Cloning In Vitro Fertilization Recombinant hormone Reproduction Transgenic animal Gene markers Genetic diversity Breeding

Where to go? Breeding objectives How to get there? Selection Mating Estimation of breeding value Phenotype Pedigree BLUP Genetic marker Traits measurements Milk, growth, carcass, fertility Males vs females DNA technology Reproductive technology Selection Mating

Biotechnology in Animal Breeding DNA technology Gene recombination Genetic engineering Genetic markers Genetic maps DNA fingerprint Reproductive technology MOET IVM, IVF Embryo sexing Nuclear transplantation

Gene selecting Isolation of DNA (gene selecting I) Objective - ค้นหายีนที่ควบคุมลักษณะจากดีเอ็นเอ หลักการ DNA extraction จากเลือด หรือเนื้อเยื่อ DNA library (จัดเก็บเป็นฐานข้อมูล) DNA sequencing (หาลำดับเบส) Gene synthesis หรือ gene cloning in vector Gene purification (แยกยีนที่คัดเลือกได้)

Isolation of mRNA (gene selecting II) หลักการ Synthesis complementary DNA (cDNA) from mRNA or protein DNA cloning Gene purification DNA Transcription RNA Protein Reverse transcriptase Translation

Gene recombination เป็นการรวมตัวกันของยีน Genetic engineering     เลือกยีน ตัดชิ้นยีนที่ต้องการ ใส่ฝากในเซลล์สิ่งมีชีวิต เช่น แบคทีเรีย. เซลล์ไข่, และ sperm     

Researchers in the UK report that they have developed chickens that are genetically modified to prevent them spreading bird flu. (Credit: Image courtesy of University of Cambridge)

Gene Marker Association Candidate genes for growth and carcass GHSR = Ghrelin receptor IGF-I = Insulin like growth factor I cGH = chicken IGFBP2 = IGF binding protein II  A  C Significant effect of IGF1 for EBV were found Table: LSM for IGF1 genotype in CHEE n Breast Width BW16 ADG 0-16 IGF-I AA 5 61.3 1,474.3 a 12.9 a AC 20 58.5 1,285.8 b 11.2 b CC 43 57.7 1,251.4 b 10.9 b SEM 1.68 62.20 0.56

Marker Assisted Selection in TIC 4 8 12 16 Selection Index Genotyping and Selection vIGF1 – allele A Selection HSP70 – C1C2 Avoiding HSP70 – M1M2 MAS

การตรวจสอบหา halothane gene ในสุกรโดยใช้ เทคนิค PCR Porcine stress syndrome การตรวจสอบหา halothane gene ในสุกรโดยใช้ เทคนิค PCR M NN nn nn nn nn nn nn nn nn Nn NN Nn Nn nn nn nn ภาพการตรวจสอบหา Halothane gene ในสุกร โดยที่ NN คือสุกรปกติ , Nn คือสุกรที่เป็นพาหะ nn คือสุกรที่มี Halothane

Double muscling in cattle due to mutations in the myostatin gene Mutations that reduce the production of functional myostatin (MSTN) lead to an overgrowth of muscle tissue Belgian Blue bull showing the double muscling phenotype

Impacts of the footrot gene-marker test on New Zealand sheep farming Footrot is a disease that costs New Zealand sheep farmers over $80 million a year to treat. Selective breeding using a Footrot Gene-Marker Test (FGMT) could significantly reduce the amount of footrot on farms. In 1997, Dr Jon Hickford and a team of researchers at Lincoln University isolated a gene that was linked to susceptibility or resistance to footrot. The scientists used their discovery to develop the Footrot Gene-Marker Test (FGMT) for use on farms.

Genetic maps A genetic map is a representation of the genes on a chromosome arrayed in linear order w ith distances between loci expressed as percent recombination (map units, centimorgans). Also called a linkage map.

DNA fingerprint เอกลักษณ์ทางพันธุกรรม 1 2 3 4 เอกลักษณ์ทางพันธุกรรม เป็นเทคโนโลยีที่นำมาศึกษาความสัมพันธ์ทางพันธุกรรม หรือตรวจสอบพันธุ์ประวัติ

เทคนิค PCR เป็นเทคนิคการเพิ่มชิ้นยีน (หรือดีเอ็นเอ) ที่ต้องการด้วยเครื่องมือเฉพาะเรียก Thermal cycler (นิยมเรียกง่ายๆว่าเครื่อง PCR)

PCR-RFLP ขั้นตอนที่ 1 ตรวจหายีนที่ต้องการจาก DNA ของสัตว์ด้วยวิธี PCR ขั้นตอนที่ 2 นำยีนที่ได้มาตัดด้วยเอ็นไซม์ สัตว์ปกติ/ไม่ปกติ จะได้ รูปแบบต่างกัน

ตรวจสอบยีนต้านทานโรค/ความผิดปกติทางพันธุกรรม ยีนเครียดในสุกร สัตว์ปกติ/เครียดง่าย เมื่อใช้เอ็นไซม์ตัดแล้วจะได้รูปแบบต่างกัน N = ปกติ n = เครียดง่าย 600bp 400bp 200bp Nn NN Nn Nn nn nn NN NN Nn NN Nn nn nn nn Nn nn มียีนเครียด แฝงอยู่ เครียดง่าย ปกติ

ยีนที่มีการศึกษาและทดสอบแล้ว HAL Halothane gene (ยีนเครียดในสุกร) IGF2 (%เนื้อแดง) Estrogen Receptor (ยีนลูกดกในสุกร) MC4R (%ซากสุกร) Napole (นุ่มเนื้อในสุกร) BoLA (ยีนต้านทานโรคเต้านมอักเสบ) Kappa casein gene (ยีนโปรตีนและน้ำนม)

QTL linked marker marker ที่ควรนำไปใช้ ในการคัดเลือก = gene marker SSC1 MARBLING Line-Cross 4.5 QTL position 4.0 3.5 -logP 1% Chr.w 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 cM 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 marker ที่ควรนำไปใช้ ในการคัดเลือก = gene marker

Genetic diversity การศึกษาความหลากหลายของสิ่งมีชีวิต Phylogenetic tree Dendogram

Reproductive Technology Artificial Insemination (A.I.) Embryo Transfer and Related Technology MOET IVM and IVF Cryopreservative of embryo and oocyte Sex Control Embryo sexing Sperm sexing Cloning Nuclear transplantation Embryo splitting

Artificial insemination เพิ่มความก้าวหน้าทางพันธุกรรม (G) ผ่านทางพ่อพันธุ์เป็นหลัก

In Vitro Fertilization (IVF)

Embryo transfer เป็นการนำตัวอ่อนที่เกิดจากการผสมพันธุ์ระหว่างตัวอสุจิของพ่อพันธุ์และไข่ของแม่พันธุ์ที่คัดเลือกไว้แล้วเก็บออกมาจากมดลูกของแม่พันธุ์ และนำไปฝากใส่ไว้ให้เติบโตในมดลูกของตัวเมียอีกตัวหนึ่งจนคลอด

เทคนิค Multiple Ovulation and Embryo Transfer (MOET) (Donor) (Recipient) 1. Superovulation 2. Manipulation of estrous 3. A.I. 4. Embryo recovery Manipulation of estrous Embryo Transfer Pregnant ภาพที่ 1 ขั้นตอนการย้ายฝากตัวอ่อนในสัตว์

Multiple Ovulation and Embryo Transfer (MOET) ตัวให้ X ตัวรับ

กระบวนการสร้างสิ่งที่มีลักษณะทางพันธุกรรมเหมือนกันกับสิ่งที่มีอยู่ก่อน Cloning กระบวนการสร้างสิ่งที่มีลักษณะทางพันธุกรรมเหมือนกันกับสิ่งที่มีอยู่ก่อน ทำได้ 2 วิธี ได้แก่ 1. การแยกเซลล์หรือตัดแบ่งตัวอ่อนในระยะก่อนการฝังตัว (blastomere separation or embryo bisection) 2. การย้ายฝากนิวเคลียส (nuclear transfer or nuclear transplantation)  

Recombinant Hormone Peptide Hormone ที่สร้างโดยใช้กระบวนการ genetic engineering ตัดต่อยีนลงในในแบคทีเรีย (E.coli) จากนั้นให้แบบทีเรียเป็นตัวผลิตให้ เช่น Bovine Growth hormone (Bovine somatotropin, BST) ฉีดให้โคนมเดือนละ 2 ครั้ง ช่วยเพิ่มน้ำนม

Transgenic animal

Steps in the IVF-ET Processes 2. normally fertilized eggs will have 2 nuclei in the center, one from the egg and one from the sperm. 1. the sperm are physically injected into egg 3. the best quality embryos will have 8 cells. 4. compacted embryos on day 3. 6. embryos that have continued development in culture and have developed to the blastocyst stage may be frozen. 5. development should be at the blastocyst stage ที่มา : www.stronghealth.com/.../ ivf/phototour.cfm

ข้อดี ของการย้ายฝากตัวอ่อน - ทำให้ได้ลูกจากแม่พันธุ์ชั้นเยี่ยมมากขึ้น - ช่วยเพิ่มความแม่นยำในการคัดเลือกแม่พันธุ์ - ไม่เสี่ยงต่อการนำโรคเข้าฟาร์ม - สามารถเก็บตัวอ่อนแช่แข็งไว้ใช้ในอนาคตได้ จุดด้อย ของการย้ายฝากตัวอ่อน - ทำได้ยากกว่าและแพงกว่าการผสมเทียม - ตัวอ่อนได้รับผลจากแม่รับฝากที่แตกต่างกัน เนื่องจากสภาพแวดล้อมที่ต่างกัน

ข้อได้เปรียบ ของการปฏิสนธิในหลอดแก้ว กับการย้ายฝากตัวอ่อนธรรมดา ได้ลูกมากกว่า เพราะเก็บไข่ได้บ่อยกว่า สามารถเก็บไข่จากรังไข่ของตัวเมียที่เพิ่งตายมาใช้ได้ สามารถลด generation interval ลงได้ โดยการเก็บไข่จากตัวเมียก่อนถึงวัยเจริญพันธุ์

Cryopreservative of embryo and oocyte การแช่แข็งตัวอ่อนและไข่ เป็นวิธีการแช่แข็ง (freezing) ตัวอ่อนและไข่ ที่อุณหภูมิต่ำ (-196 C) เทคนิคนี้มีความสำคัญมากในการเก็บรักษาตัวอ่อน หรือเชื้อพันธุ์สัตว์ให้คงสภาพมีชีวิต จนกว่าจะถึงช่วงเวลาที่เหมาะสมจึงจะนำไปใช้ประโยชน์ต่อไป

Sex Control Sexing sperm Flow cytrometer แยกโครโมโซม X,Y ก่อนที่จะนำไปผสมกับไข่เพื่อให้ ได้ลูกที่มีเพศตามที่สนใจ

Sexing Embryo ตัดแบ่งบางส่วนของ embryo มาตรวจเช็คเพศด้วยเครื่องมือ PCR

Embryo splitting คือ การตัดแยกคัพภะ (ก่อนระยะฝังตัว) ออกเป็น 2 ส่วน ทำให้ได้ identical twin เป็นการเพิ่มประสิทธิภาพของ embryo transfer

Nuclear Transplantation - เอา nucleus ของไข่ออก นำ cell จาก embryo หรือเนื้อเยื่ออื่นมาใส่แทน - ทำให้ได้สัตว์ที่มีลักษณะปรากฏเหมือนกันเป็นจำนวนมาก - ทำให้ genetic variation ของประชากรลดลง

Nuclear transplantation การย้ายฝากนิวเคลียส แกะหน้าขาว ปี 2543 .. ประเทศไทยได้ลูกโคแบงกัส จากการโคลนนิ่ง ตัวแรก ชื่อ “อิง”

ผลจากการใช้เทคโนโลยี ... ความผันแปรทางพันธุกรรมของสัตว์เลี้ยงจะลด น้อยลงเนื่องจาก - เน้นความสม่ำเสมอของสัตว์ - ใช้พ่อพันธุ์น้อยตัว - สัตว์เลี้ยงมาจากบริษัทผู้ปรับปรุงไม่กี่ราย - จำนวนพันธุ์สัตว์ลดน้อยลง - มีแนวโน้มใช้การทำโคลนนิ่งมากขึ้น

แนวทางการรักษาความผันแปรทางพันธุกรรมไว้ใช้ในอนาคต - หาช่องทางการใช้ประโยชน์ใหม่ๆ ที่เหมาะสม เพื่อให้เกษตรกรยังคงเลี้ยงต่อไป - เลี้ยงไว้ในสถานีอนุรักษ์พันธุ์สัตว์ - ผสมข้ามกับสัตว์ในพันธุ์ที่ยังนิยมเลี้ยงอยู่ - เก็บรักษาอสุจิ ไข่ คัพภะ หรือ เซลล์ ไว้ในสภาพเยือกแข็ง

Ethical issues in animal biotechnology Animal rights - Recent action to allow animals to be patented reinforces the idea of animals as human property, rather than beings in their own right.

Transgenic animals and religious food laws Animal welfare - Modern pigs have been bred to grow extra fast - some breeds now grow too fast for their hearts, causing discomfort when animals are too active - Broiler chickens are bred to grow fast - some now grow too fast for their legs Transgenic animals and religious food laws - Transgenic animals pose problems for religions that restrict the foods that their believers can eat, since they may produce animals that appear to be one species, but contain some elements of a forbidden species.