Wykorzystanie przepiórki japońskiej jako zwierzęcia laboratoryjnego w badaniach molekularnych Sebastian Knaga

Przepiórka japońska (Coturnix japonica) należy do rzędu Galliformes (grzebiące), rodziny

Phasianidae

(kurowate)

i

rodzaju

Coturnix

(przepiórki)

(http://www.eko.uj.edu.pl/listaptakow/rzedy.html). Gatunek ten wywodzi się z Azji Wschodniej, a miejscem jego domestykacji była prawdopodobnie Japonia (Wakasugi 1984). Badania Changa i wsp. 2006 przeprowadzone w oparciu o polimorfizm DNA (loci strukturalne) wykazały jednakże większe pokrewieństwo genetyczne linii hodowlanych przepiórki japońskiej utrzymywanymi w różnych krajach z dzikimi populacjami występującymi w Chinach, a nie w Japonii. Wydaje się to być uzasadnione ze względu na fakt, iż pod koniec II Wojny Światowej w Japonii przepiórki japońskie zostały prawie całkowicie wytępione, a odbudowa pogłowia tych zwierząt została oparta o ptaki hodowlane sprowadzone z Chin i Korei (Wakasugi 1984). W XVII wieku n.e. przepiórki utrzymywane były w Japonii jako ptak śpiewający (Tsudzuki M. 2008). Na początku XX w. odkryto wybitne zdolności tego gatunku w produkcji nieśnej (Tsudzuki M. 2008) co doprowadziło do powstania w Japonii pierwszych linii nieśnych (Minvielle 2004). Do końca lat 50-tych XX w. przepiórkę hodowlaną sprowadzono do Stanów Zjednoczonych, Europy i na Bliski Wschód (Minvielle 2004). Obecnie wiele krajów, w tym Polska uznało przepiórkę japońską za jeden z gatunków drobiu. Za sprawą unikalnych walorów smakowych mięsa i jaj oraz wysokiej nieśności ptak ten wykorzystywany jest w produkcji mięsnej i nieśnej. Produkty te stanowią w krajach Azji Wschodniej i Ameryki Południowej (jaja przepiórcze) oraz Europy Zachodniej i Ameryki Północnej (mięso) ważny składnik diety będąc jednocześnie istotnym sektorem przemysłu drobiarskiego (Mienvielle 2004). Przepiórka japońska znalazła również zastosowanie jako zwierzę laboratoryjne. Pierwsze doświadczenia z udziałem tego gatunku przeprowadzone zostały w 1940 roku przez Shimakurę, a związane były z kolorem upierzenia (Tsudzuki 2008). O popularności tego gatunku jako ptaka laboratoryjnego zadecydowały prace opublikowane w 1959 roku przez Padgett i Ivey oraz w 1961 roku przez Wilson i wsp. Autorzy opisali potencjalne korzyści wynikające z wykorzystania przepiórki w badaniach laboratoryjnych. Jako zalety tego 1

gatunku w doświadczalnictwie Padget i Ivey wymienili m.in. wczesną dojrzałość płciową, płodność, możliwość określenia płci w wieku 3 tygodni, łatwość w odchowie, wysoką nieśność i wyższą odporność na choroby drobiu w porównaniu z przepiórem wirginijskim. Wskazali oni ponadto na szczególną przydatność przepiórki w badaniach embrionalnych, fizjologii oraz endokrynologii. Od lat 60-tych do 90-tych podejmowane były badania biochemiczne oraz immunologiczne z udziałem tego gatunku jako zwierzęcia laboratoryjnego (Kimura M., 1982). Podjęto również badania molekularne z wykorzystaniem przepiórki japońskiej, jednak w chwili obecnej nie są one aż tak zaawansowane, jak w przypadku innego gatunku z rodziny Phasianidae – kury domowej. Do roku 2000, a więc do momentu opublikowania pierwszej sekwencji genomu kury (Schmid i wsp. 2000) u przepiórki japońskiej zidentyfikowano jedynie 4 grupy sprzężeń: 3 autosomalne i 1 obejmująca chromosom Z (Wakasugi i Kondo 1973, Ito i wsp. 1988a,b, Cheng i Kimura 1990, Shibata i Abe 1996). Każda z grup składała się z kilku loci obejmujących w większości loci cech fenotypowych, przy czym kolejność ich ułożenia, jak również numer odpowiadającego im chromosomu był nieznany. Pierwsza autosomalna grupa sprzężeniowa obejmowała: locus koloru upierzenia („extended brown” E) i izomerazy fosfoglukozy (PGI) (Ito i wsp. 1988a), druga autosomalna grupa obejmowała locus: koloru upierzenia panda - s, albuminy osocza krwi - ALB oraz białka wiążącego witaminę D - GC (Ito i wsp. 1988b, Shibata i Abe 1996), trzecia autosomalna grupa obejmowała locus żółtego - Y i „white breasted” - wb koloru upierzenia (Cheng i Kimura, 1990). Grupa sprzężeniowa obejmująca chromosom Z składała się z locus koloru upierzenia „imperfect albinism” - al i locus sprzężonego z płcią brązowy kolor upierzenia – br (Wakasugi i Kondo 1973). Niewielka liczba dostępnych u przepiórki markerów molekularnych skłoniła badaczy do podjęcia prób implementacji markerów mikrosatelitarnych specyficznych dla kury domowej w badaniach genomu przepiórki japońskiej (Pang i wsp. 1999, Inoue–Murayama i wsp. 2001, Kayang i wsp. 2003). Wyniki tych badań jednoznacznie wykazały, że markery mikrosatelitarne opracowane dla kury domowej nie są odpowiednie do amplifikacji analogicznych loci u przepiórki japońskiej. Konieczne stało się opracowanie specyficznych gatunkowo markerów mikrosatelitarnych odpowiednich do analiz genomu przepiórki. Kayang i wsp. (2000, 2002, 2004) opracowali 100 specyficznych gatunkowo markerów mikrosatelitarnych i skonstruowali pierwszą mapę sprzężeniową obejmującą 72 markery mikrosatelitarne (Kayang i wsp. 2004). Całkowita długość tej mapy wyniosła 576 cM, ze 2

średnią odległością pomiędzy sąsiadującymi loci wynoszącą 10 cM. Równolegle do mikrosatelitarnej mapy sprzężeniowej, Roussot i wsp. (2003) opracowali dla przepiórki japońskiej markery AFLP i z ich pomocą skonstruowali mapę obejmującą 41 grup sprzężeń. Całkowita liczba loci, całkowita długość mapy oraz średnia odległość pomiędzy markerami wyniosła odpowiednio 258, 1516 cM i 7,6 cM. W 2006 roku (Kayang i wsp.) połączono opracowaną w 2004 roku (Kayang i wsp.) mapę mikrosatelitarną oraz mapę opartą o markery AFLP. Powstała w ten sposób mapa sprzężeniowa o długości 904,3 cM, w której średnia odległość pomiędzy sąsiadującymi loci wyniosła 9,7 cM. W tym samym roku Kayang i wsp. (2006) porównali chromosomy przepiórki japońskiej (CJA) i kury domowej (GGA). W wyniku mapowania porównawczego chromosomy CJA01 – 07, 09, 10, 13, 14, 18 , 20, 27 i Z przepiórki przypisano do analogicznych chromosomów kury domowej (GGA). W 2005 roku Kikuchi i wsp. (2005) skonstruowali genetyczną mapę sprzężeń opartą o markery AFLP, markery mikrosatelitarne kury domowej zmapowane u przepiórki japońskiej oraz 2 loci cech fenotypowych. Całkowita długość opracowanej w ten sposób mapy sprzężeniowej wyniosła 2816 cM ze średnią odległością pomiędzy markerami wynoszącą 5,5 cM. Autorzy Ci porównali również uzyskane w ten sposób grupy sprzężeń z chromosomami kury domowej. Sasazaki i wsp. (2006a) udoskonalili mapę sprzężeniową AFLP zwiększając liczbę markerów oraz opracowali markery EST, na podstawie sekwencji genów kury domowej zawartych w internetowych bazach danych, a następnie dołączyli je do mapy sprzężeniowej opartej na markerach AFLP. Rok wcześniej Mannen i wsp. (2005) na podstawie dostępnych sekwencji cDNA opracowali markery mikrosatelitarne i dołączyli je do mapy sprzężeniowej opartej na markerach AFLP. Na podstawie informacji o zmapowanych markerach EST i markerach mikrosatelitarnych uzyskanych z cDNA, Mannen i wsp. (2005) i Sasazaki i wsp. (2006a) przypisali część grup sprzężeń AFLP przepiórki japońskiej do chromosomów kury domowej. Wykorzystując rodzinę referencyjną utworzoną przez Kikuchi i wsp. (2005), i uzupełnioną przez innych autorów (Mannen i wsp. 2005, Sasazaki i wsp. 2006a), Sasazaki i wsp. (2006b) zmapowali ortologiczne geny i markery EST kury domowej u przepiórki japońskiej porównując uzyskane grupy sprzężeniowe przepiórki japońskiej z chromosomami kury domowej. Zaobserwowano jednakże różnice pomiędzy wynikami badań (Kikuchi i wsp. 2005, Mannen i wsp. 2005, Sasazaki i wsp. 2006a,b) w przyporządkowaniu grup sprzężeń obydwu badanych gatunków. Pomimo tego, mapa sprzężeniowa oparta na markerach AFLP opisana po raz pierwszy przez Kikuchi’ego i wsp. (2005) do momentu ukazania się pracy Sasazaki’ego i wsp. (2006b) osiągnęła całkowitą długość 3199 cM ze średnią odległością pomiędzy markerami równą 5,0 cM. Mapa ta składała się z 1995 markerów w tym z 1933 3

markerów AFLP, trzech loci cech fenotypowych i 59 genów/EST przypisanych do 66 grup sprzężeń (Sasazaki i wsp. 2006b). Poza markerami molekularnymi w niektórych grupach sprzężeń zmapowano również loci cech fenotypowych, genów i EST. Do klasycznych loci fenotypowych zmapowanych wspólnie z markerami DNA należą kolory upierzenia: „black-at-hatch” - Bh, panda - s, żółty Y oraz loci dla transferyny - Tf, hemoglobiny - Hb-1 i prealbuminy - Pa-1. Zostały one zmapowane w chromosomach CJA01 (Niwa i wsp. 2003, Miwa i wsp. 2005), CJA04 (Miwa i wsp. 2006), CJA09 (Miwa i wsp. 2005, Kayang i wsp. 2006), CJA14 (Miwa i wsp. 2005) i CJA20 (Miwa i wsp. 2005, Kayang i wsp. 2006) oraz grupach sprzężeń JQG05 (Kikuchi i wsp 2005), i QL13 (Miwa i wsp. 2005) u przepiórki japońskiej. Opracowanie odpowiednio wysyconej markerami mapy sprzężeniowej umożliwiło mapowanie regionów QTL (ang. quantitative trait loci - loci cech ilościowych) odpowiedzialnych za ważne z ekonomicznego punktu widzenia cechy ilościowe. Jednakże do tej pory ukazało się jedynie kilka prac dotyczących identyfikacji regionów QTL u przepiórki japońskiej. Pierwszymi tego typu analizami było doświadczenie wykonane przez Beaumont i wsp. (2005). Autorzy starali się zidentyfikować regiony QTL dla masy ciała i 11 typów cech związanych ze strachliwością wykorzystując do tego celu markery AFLP opracowane przez Roussot i wsp. (2003). Zidentyfikowali oni istotne statystycznie regiony QTL odpowiedzialne za masę ciała w 2 tygodniu życia, logarytm tonicznego znieruchomienia, liczbę bodźców do momentu reakcji oraz liczbę skoków osobnika wykonanych podczas badania. Minvielle i wsp.

(2005)

wykonali

skanowanie

genomu

przepiórki

za

pomocą

markerów

mikrosatelitarnych opracowanych przez Kayang’a i wsp. (2004) w celu identyfikacji QTL odpowiedzialnych za takie cechy jak: wzrost, spożycie paszy, cechy skorupy jaja, produkcję nieśną, znieruchomienie toniczne i temperaturę ciała. Zidentyfikowali oni istotne statystycznie QTL odpowiedzialne za takie cechy jak: długość cykli jajowych, masę skorupy, liczbę jaj i spożycie paszy. W 2006 roku Minvielle i wsp. zidentyfikowali na 6 autosomach (CJA05, CJA06, CJA10, CJA13, CJA14) 8 regionów QTL mających wpływ na kształt krzywej nieśności. Spośród wszystkich zmapowanych regionów QTL 6 można bezpośrednio powiązać z poziomem produkcji nieśnej. Badania molekularne prowadzone w ostatnich latach na przepiórce japońskiej skutkowały identyfikacją genów odpowiadających za niektóre cechy fenotypowe, a przede wszystkim za kolor upierzenia u odmian barwnych oraz różne formy zachowania. Najbliższa przyszłość powinna przynieść wzrost liczby markerów molekularnych oraz genów 4

odpowiedzialnych za cechy jakościowe i ilościowe zmapowanych na chromosomach przepiórki japońskiej. Rozwój nowych wysokoprzepustowych technik sekwencjonowania powinien doprowadzić do sekwencjonowania genomu przepiórki japońskiej, co podniosłoby rangę tego gatunku, jako modelu w badaniach biomedycznych Piśmiennictwo 1.

Beaumont C., Roussot O., Feve K., Vignoles F., Leroux S., Pitel F., Faure J. M., Mills A. D., Guemene D., Sellier N., Mignon-Grasteau S., Le Roy P., Vignal A. (2005) A genome scan with AFLPTM markers to detect fearfulness-related QTLs in Japanese quail Animal Genetics, 36, 401–407

2.

Chang G.B., H. Chang, X.P. Liu, W. Xu, H.Y. Wang, W.M. Zhao, O. Olowofeso(2005) Developmental research on the origin and phylogeny of quails World’s Poultry Science Journal, Vol. 61, March 2005

3.

Cheng KM, Kimura M. (1990) Mutations and major variants in Japanese quail. In: Poultry Breeding and Genetics (Crawford RD ed.) pp. 333-362 Elsevier. Amsterdam. 1990

4.

http://www.eko.uj.edu.pl/listaptakow/rzedy.html

5.

Inoue-Murayama M., Kayang B. B., Kimura K., Ide H., Nomura A., Takahashi H., Nagamine Y., Takeda T., Hanada H., Tatsuda K., Tsudzuki M., Matsuda Y., Mizutani M., Murayama Y., Ito S. (2001). Chicken microsatellite primers are not effcient markers for Japanese quail (2001) Animal Genetics, 32, 7-11

6.

Ito S. Kimura M, Isogai I.(1988a). Linkage between panda plumage and albumin loci in Japanese quail –Jpn. J. Zootech. Sci. 59 (1988a) 822-824

7.

Ito S. Kimura M, Isogai I.(1988b) A sex difference In recombination values between extender Brown and phosphoglucose isomerase loci In Japanese quail Jpn. J. Zootech. Sci. 59 (1988) 801-805

8.

Kayang B B, Fillon V, Inoue-Murayama M, Miwa M, Leroux S, Fève K, Monvoisin JL, Pitel F, Vignoles M, Mouilhayrat C, Beaumont C, Ito S, Minvielle F, Vignal A. (2006) Integrated maps in quail (Coturnix japonica) confirm the high degree of synteny conservation with chicken (Gallus gallus) despite 35 million years of divergence BMC Genomics 2006, 7:101

9.

Kayang B B, Inoue-Murayama M, Hoshi T, Matsuo K, Takahashi H, Minezawa M, Mizutani M, Ito S. (2002) Microsatellite loci in Japanese quail and cross-species amplification in chicken and guinea fowl Genet. Sel. Evol. 34 (2002) 233–253 5

10. Kayang B B, Inoue-Murayama M, Takahashi H, Minezawa M, Tsudzuki M, Mizutani M,

Ito S. (2003) Twenty-eight new microsatellite loci in chicken and their cross-species amplification in Japanese quail and helmeted guinea fowl Animal Science Journal (2003) 74, 255–259 11. Kayang B. B., Inoue-Murayama M., Nomura A., Kimura K., Takahashi H., Mizutani M.

(2000) Fifty microsatellite markers for Japanese quail. J. Hered. 91 (2000) 502- 505 12. Kayang B. B., Vignal A., Inoue-Murayama M., Miwa M., Monvoisin J. L., Ito S.

Minvielle F. (2004). A first-generation microsatellite linkage map of the Japanese quail Animal Genetics (2004) 35, 195–200 13. Kikuchi S., Fujima D., Sasazaki S., Tsuji S., Mizutani M., Fujiwara A., Mannen H.

(2005) Construction of a genetic linkage map of Japanese quail (Coturnix japonica) based on AFLP and microsatellite markers Animal Genetics, 36, 227–231 14. Kimura M.(1982) Polymorphic proteins and enzymes in Japanese quail - a review.

Japanese Poultry Science, 19: 211-221 15. Mannen H, Murata K, Kikuchi S, Fujima D, Sasazaki S,, Fujiwara A., Tsuji S. (2005)

Development and Mapping of Microsatellite Markers Derived from cDNA in Japanese Quail (Coturnix japonica) The Journal of Poultry Science, 42: 263-271 16. Minvielle F, Kayang B B, Inoue-Murayama M, Miwa M, Vignal A, Gourichon D, Neau

A, Monvoisin J, Ito S. (2005) Microsatellite mapping of QTL affecting growth, feed consumption, egg production, tonic immobility and body temperature of Japanese quail BMC Genomics 2005, 6:87 17. Minvielle F, Kayang B B, Inoue-Murayama M, Miwa M, Vignal A, Gourichon D, Neau

A, Monvoisin J, Ito S. (2006) Search for QTL affecting the shape of the egg laying curve of the Japanese quail BMC Genetics, 7:26 18. Minvielle F: The future of Japanese quail for research and production. World’s Poultry

Science Journal 2004, 60:500-507 19. Miwa M, Inoue-Murayama M, Kobayashi N, Kayang B B, Mizutani M, Takahashi H, Ito

S. (2006) Mapping of panda plumage color locus on the microsatellite linkage map of the Japanese quail BMC Genetics 2006, 7:2 20. Miwa M., Inoue-Murayama M., Kayang B. B., Vignal A., Minvielle F., Monvoisin J. L.,

Takahashi H., Ito S. (2005) Mapping of plumage colour and blood protein loci on the microsatellite linkage map of the Japanese quail Animal Genetics, 36, 396–400

6

21. Niwa T, Shibusawa M, Matsuda Y, Terashima A, Nakamura A, Shiojiri N. (2003)The Bh

(black at hatch) gene that causes abnormal feather pigmentation maps to chromosome 1 of the Japanese quail. Pigment Cell Research, 16: 656 – 661 (2003) 22. Padgett CA, Ivey WD. (1959) Coturnix quail as a laboratory research animal. Science,

30: 267-268, 1959 23. Pang SWY, C Ritland C, Carlson JE, KM Cheng KM. (1999) Japanese quail

microsatellite loci amplified with chicken-specific primers. Anim. Genet. 30 (1999) 195199 24. Roussot O, Feve K, Plisson Petit F, Pitel F, Faure J.M, Beaumont C, Vignal A. (2003)

AFLP linkage map of the Japanese quail Coturnix japonica Genet. Sel. Evol. 35 (2003) 559_572 25. Sasazaki S, T Hinenoya S, Fujima D, Kikuchi S, Fujiwara A, Mannen H. (2006a)

Mapping of expressed sequence tag markers with a cDNA-amplified fragment length polymorphism method in Japanese quail (Coturnix japonica) Animal Science Journal (2006a) 77, 42–46 26. Sasazaki S., Hinenoya T., Lin B., Fujiwara A., Mannen H. (2006b) A comparative map

of macrochromosomes between chicken and Japanese quail based on orthologous genes Animal Genetics (2006), 37, 316–320 27. Schmid M, Nanda I, Guttenbach M, Steinlein C, Hoehn M, Schartl M, Haaf T, Weigend

S, Fries R, Buerstedde J M, Wimmers K, Burt DW, Smith J, A’Hara S, Law A, Griffin DK, Bumstead N, Kaufman J, Thomson PA, Burke T, Groenen MA, Crooijmans RP, Vignal A, Fillon V, Morisson M, Pitel F, Tixier-Boichard M, Ladjali-Mohammedi K, Hillel J, Maki-Tanila A, Cheng HH, Delany ME, Burnside J, Mizuno S. (2000). First report on chicken genes and chromosomes. Cytogenet. Cell Genet. 90, 169–218. 28. Shibata T, Abe T. (1996)Linkage between the loci for serum albumin and vitamin D

binding protein (GC) In the Japanese quail. Anim. Genet. 27 (1996) 195-197 29. Tsudzuki M. (2008) Mutations of Japanese Quail (Coturnix Japonia) and Recent

Advances of Molecular Genetics for his Species. J. Poult. Sci., 45: 159-179, 2008 30. Wakasugi N, Kondo K. (1973) Breeding methods for maintenance of mutant genes and

establishment of strains in the Japanese quail. Experimental Animals, 22 (Suppl.): 151159, (1973) 31. Wakasugi N.(1984) Japanese quail. In Evolution of Domesticated Animals Edited by:

Mason IL. New-York, Longman Inc; 1984:319-321. 7

32. Wilson WO, Abbott UK, Abplanalp H. (1961) Evaluation of coturnix (Japanese quail) as

pilot animal for poultry. Poultry Science, 40: 651-657, 1961

8