Иммлуногенетика

Группы крови человека и животных. В пределах вида особи различаются не только по морфологическим признакам, но и по ряду биохимических, которые могут быть выявлены иммуногенетически в виде системы антигенов. Антигены - это вещества белковой или полисахаридной природы, вызывающие при введении в организм развитие специфических иммунологических реакций. Антигены, определяющие группы крови, находятся на поверхности эритроцитов. Поэтому их часто называют эритроцитарными антигенами. При попадании антигенов в организм, где их нет, т.е. чужеродный, происходит иммунологическая реакция, в результате которой появляются антитела. Антитела - это сложные белки из класса иммуноглобулинов, которые вырабатываются в организме в ответ на введение антигенов. Антитела способны реагировать с антигенами, против которых они получены.

Первые сведения о группах крови были получены у человека. В 1900 году Ландштейнер при постановке перекрестных реакций между эритроцитами одних людей и сывороткой крови других открыл систему групп крови АВО. В 1907 году Янский описал более редкую 4 группу крови. Различия в антигенном составе разных групп показаны в таблице.

Группа крови Антигены эритроцитов Антитела сыворотки

I (0) нет анти- А, анти - В

I I (А) А анти - В

Ш (В) В анти - А

VI (AB) А, В нет

Установлено, что синтез каждого эритроцитарного антигена обусловлен действием одного гена. Антигены наследуются по типу доминирования или кодоминирования. В частности в системе АВО у человека антигены А и В доминируют над 0, а между собой А и В наследуются по типу кодомини­рования. В связи с этим четыре группы крови имеют шесть генотипов. Вторая и третья группы могут быть гомозиготными или гетерозиготными. Локус систем АВО принято обозначать буквой J. Наследование групп кро­ви подчиняется законам Менделя.

Группы крови Генотипы

I (0) J° J°

II (А) J^A J^A , J^A J°

Ш (В) J^B J^B, J^B J°

IY (А, В) J^A J^B

В 1940 году Ландштейнер и Винер открыли систему групп крови ре­зус-фактор. Люди, которые имеют этот антиген, называются резус-положи­тельные. По статистике среди европейцев их насчитывается 85%. Наследу­ется резус-антиген по доминантному типу. Резус-антиген иногда приводит к несовместимости матери и плода. Это явление наблюдается при браке резус-положительного мужчины с резус-отрицательной женщиной. В этом случае плод наследует резус-фактор, и этот антиген проникает через плаценту в организм матери для которой он является чужеродным. В ответ в ее организме вырабатываются антитела, которые, попадая в плод, вызы­вают эритробластоз. По статистике резус-несовместимость наблюдается в 0,4% случаев беременности.

Кроме этих систем, у человека открыто еще 10 систем, сведения о которых можно найти в специальной литературе.

После открытия групп крови у человека активно начались работы по изучению их у животных. В 1900 году Эрлих и Моргенрот установили индивидуальные различия в крови коз.­ Большой вклад в развитие этого направления внесли Фергуссон и Стормонт, которые впервые выявили более 30 антигенных факторов крови у крупного рогатого скота. Особенно в широком плане начали проводить работы по изучению групп крови после разработки этими учеными метода получения моноспецифических сывороток, с помощью которых можно определять группы крови.

Для поучения реагентов или моноспецифических сывороток проводят иммунизацию животных. Подбирают двух животных, донора и реципиента, которые различаются по нескольким эритроцитарным антигенам. Например, у животного донора имеются антигены А,В и С, а у реципиента – А, К и Д. Далее у донора берут кровь, отделяют эритроциты и вводят их в организм животного-реципиента. В ответ на это в его организме будут вырабатываться антитела против антигенов ( анти-В и анти-С). Чтобы получи­ть моноспецифическую сыворотку, содержащую антитела против одного атигена, к ней добавляют эритроциты с антигеном С. В результате произойдет реакция взаимодействия их с антителами анти-С и в сыворотке оста­нутся антитела против антигена В ( анти-В). В дальнейшем их можно использовать для обнаружения антигена В в крови животных.

В настоящее время у крупного рогатого скота изучено более 100 антигенов, которые объединены в 12 систем групп крови. В одну систему включают антигены, которые наследуются по типу множественного аллелизма, а к разным системам относятся антигены, которые наследуются неза­висимо друг от друга.

Эритроцитарные антигены закладываются в эмбриональный период, не меняются в течение онтогенеза и не зависят от условий кормления, со­держания и других факторов среды. Большинство аллелей генетических систем групп крови наследуется по типу кодоминирования, то есть в гетерозиготе фенотипически проявляются оба гена. Гены систем групп крови локализованы в аутосомах. Существует три основных правила наследования групп крови: 1) каждая особь наследует по одному из двух аллелей от матери и отца в каждой системе групп крови; 2) особь с антигенами, не обнаруженными хотя бы у одного из родителей, не может быть потомком данной родительской пары; 3) гомозиготная особь по одному антигену, например А/А, не может быть потомком гомозиготной особи с противопо­ложным антигеном, например В/В.

Системы групп крови подразделяют на простые и сложные. К простым относят системы, которые включают один или два аллея, а к сложным - три и более.

Системы антигенных локусов групп крови и антигены принято обозна­чать буквами латинского алфавита. Но, так как букв не хватает некоторые антигены записывают с надстрочными и подстрочными индексами и штрихами. В каждой конкретной системе у животного может не быть антигенов вовсе или число их может достигать десятка. До настоящего времени в иммуногенетике не принято единой стилистики в написании групп крови. В прос­той системе групп крови, например F-V у животных могут быть три груп­пы (F/F, F/V, V/V). В сложной системе В группа крови записывается так: указывается система, а в индексе записываются антигены этой системы. Причем наклонная черта отделяет антигены матери от антигенов отца (В ^{А.СД/ ЕД}).

Некоторые системы характеризуются большим числом антигенов, входящих в группу крови. Из всех известных систем наиболее сложной явля­ется В-система у крупного рогато скота, включающая более 40 антиге­нов, которые в различных комбинациях образуют до 500 аллелей.

Биохимический полиморфизм белков. Полиморфизм – одновременное присутствие в популяции двух и более генетических форм одного признака в таком соотношении, что их нельзя отнести к повторным мутациям. Термин биохимический (генетический) полиморфизм применяют в тех случаях, когда редкий аллель встречается с частотой 0,01 или больше. В течение эволюционного процесса в результате мутаций происходят изменения генов, поэтому в популяции они встречаются не в одной, а в двух и более формах. Ген, представленный более чем одним аллелем, называют полиморфным геном. Доля полиморфных локусов точно не известна, но предполагают, что в популяциях животных их доля составляет 20 – 50%.

Основной метод изучения полиморфизма белков и ферментов – электрофорез в крахмальном или полиакриламидном геле и иммуноэлектрофорез. Белковые молекулы обычно несут определенный электрический заряд, величина которого связана со строением белковых молекул. Поэтому в электрическом поле они продвигаются с разной скоростью, что и позволяет их разделять.

У сельскохозяйственных животных изучено более 150 полиморфных локусов белков крови, молока, слюны и других веществ организма. Аллели, например, гемоглобинового локуса, обозначают следующим образом: НЬ^А, НЬ^В, НЬ^С и т.д., а генотипы – НЬ^АНЬ^А, НЬ^ВНЬ^В или Hb^A/A, Hb^B/B. В связи с кодоминантным наследованием большинства биохимических полиморфных систем фенотип животного соответствует его генотипу.

Замена некоторых аминокислот в белке вызывает функциональные различия полиморфных типов. Например, у человека, кроме нормального гемоглобина НЬ^А, известно 400 аномальных вариантов: S, С, D и др., которые вызывают различные заболевания.

Одним из первых был изучен гемоглобин серповидных эритроцитов, в котором в шестом положении валин замещен глутаминовой аминокислотой. У гомозигот (Hb^S/S) аномалия проявляется в условиях пониженного парциального давления кислорода (например, в горах), и у людей с ранних лет развивается хроническая анемия с расстройством кровообращения и трамбозами.

У крупного рогатого скота открыто 13 типов гемоглобина, у свиней – 4, у овец – 5, у лошадей и кур – 2 типа.

Система трансферрина (Tf). Трансферрин является металлопротеином сыворотки крови и осуществляет перенос железа в организме. Выявлена бактериостатическая функция трансферрина, что повышает защитную реакцию животного от инфекций. Этот белок проявляет большой генетический полиморфизм. У крупного рогатого скота зарегистрировано 12 аллелей трансферрина, у овец и коз – 13 аллелей, у свиней – 5.

Система церудоплазмина (Ср) играет центральную роль в обмене меди в организме, являясь основным переносчиком ее в ткани. Нарушение функций Сp или снижение его содержания в плазме крови, например у человекa, ведет к заболеванию нервной системы с некротическими изменениями в печени. У крупного рогатого скота в этой системе обнаружено три аллеля Ср^А, Ср^в и Ср^с - частота которых различна у разных пород скота. Аллель Ср^с обнаружен только у симментальского, красного и пятнистого скота Польши и Чехии.

Кроме указанных основных белков и ферментов сыворотки крови и эритроцитов, изучено большое количество других: щелочная и кислая фосфатазы, амилаза, постальбумин и др.

Системы белков молока. Основные полиморфные системы молока связаны с сывороткой молока и казеином. У крупного рогатого скота выявлены следующие полиморфные системы молока. В сыворотке – локус бетта-лактоглобулина с аллелями: А, В, С и Д и α - лактоглобулина с аллелями А и В. Белки казеина проявляют полиморфизм в четырех локусах: локус бетта-казеина с 6 аллелями, локус гамма-казеина с двумя аллелями, локус каппа-казеина с 2 аллелями и локус альфа S₁-казеина с 4 аллелями. Учеными установлена разная встречаемость аллелей этих локусов у пород скота и связь некоторых из них с качественными характеристиками молока.

Использование групп крови и полиморфных систем белков в животноводстве.

Контроль достоверности происхождения животных. Одним из основных направлений применения групп крови и полиморфных систем белков является контроль происхождения животных. По данным обследований племенных стад, установлено, что ошибки в данных о происхождении животных в некоторых из них достигают 20%. Это может быть следствием не только недостатков в работе техников по искусственному осеменению (потери номеpов, неправильного их чтения, нарушения учета спермадоз), но и результатом осеменений животных спермой разных производителей при повторных охотах после плодотворного осеменения.

Поэтому в соответствии с приказом Министерства сельского хозяйства в нашей стране на племпредприятиях организованны иммуногенетические лаборатории, основная задача которых – подтверждение достоверности происхождения ценных племенных животных. Контроль достоверности происхождения животных возможен благодаря: кодоминантному наследованию антигенных факторов, неизменности их в течение онтогенеза, большому числу комбинаций групп крови и полиморфных систем, которые в пределах вида практически не бывают одинаковыми у двух особей.

Для подтверждения данных о происхождении нужно взять кровь у трех животных: мать, отец и потомок и определить группы крови. Происхождение потомка от предполагаемых родителей подтверждается, если у него выявлены антигены матери и отца. Если же у него обнаружены антигены, которых нет у родителей, родители для потомка указаны неправильно. Рассмотрим это на примере.

мать	ВAD/ZOE Hb A/A
отец	BZH/K Hb A/A
потомок 1	BAD/K Hb A/A	происхождение подтверждается
потомок 2	BZOE/M Hb A/B	происхождение не подтверждается

Иммунологический анализ близнецов. С помощью групп крови можно определить, являются ли близнецы разнояйцовыми или однояйцовыми. Однояйцовые или монозиготные близнецы всегда рождаются одного пола и имеют одинаковые группы крови. Разнополые двойни всегда дизиготны и с разными группами крови. В среднем у крупного рогатого скота рождается около 2 – 3% двоен, из них 10% являются однояйцовыми.

У 90% двоен крупного рогатого скота возникает анастомоз (срастание) кровеносных сосудов и, как следствие этого, у дизиготных двоен наблюдается химеризм (смесь двух типов эритроцитов). Если двойни рождаются разнополыми, то обычно телки оказываются бесплодными и их приходится выбраковывать из воспроизводства. Это явление получило название фримартинизма.

Связь групп крови с продуктивностью. Прогнозирование продуктивных качеств животных является актуальной задачей. Селекционеры постоянно ищут надежные маркеры (показатели), которые имели бы связь с продуктивностью. Для этих целей используются экстерьерные показатели, состав крови и тканей. Однако надежность этих маркеров не отвечает точным прогнозам. Многими учеными проведены исследования по изучению связи групп крови с продуктивными качествами животных. Теоретической основой такой связи может быть плейотропное действие аллелей групп крови на продуктивность за счет сцепления генов.

Так, у шведского черно-пестрого скота установлена связь аллеля BYD с содержанием жира в молоке. У животных голштинской породы обнаружена положительная связь антигенов G, Y, E и J с жирномолочностью. З. Вагонис показал, что в одном стаде коровы с антигеном Е превосходили по удою сверстниц, а в другом стаде, наоборот, имели более низкий удой.

Повышение продуктивности может быть связано с гетерозиготностью по группам крови. Так, увеличение гетерозиготности по локусу В у кур привело к повышению вылупляемости цыплят, интенсивности роста и яйценоскости.

В.Н. Тихонов установил, что гетерозиготность по некоторым антигенам групп крови ведет к гетерозису. В его опытах при спаривании гомозиготных особей типа Gbb x Gbb в среднем от свиноматки получено 10,67 поросят, а при спаривании животных разных генотипов Gaa xGbb – 12,34 поросенка.

Сложная наследственная обусловленность количественных признаков и сильное влияние на них различных факторов среды пока не позволяют дать надежных рекомендаций по использованию групп крови в качестве генетических маркеров при селекции животных.

Лекция 12

НАСЛЕДОВАНИЕ КОЛИЧЕСТВЕННЫХ ПРИЗНАКОВ

Все признаки у животных разделяются на две группы – качественные и количественные. К качественным признакам относятся: масть животных, пол, тип конституции, устойчивость к заболеваниям и другие. О наследовании этих признаков мы говорили в предыдущих лекциях.

Большинство признаков у сельскохозяйственных животных относится к количественным. Величину этих признаков можно измерить и выразить числом. К этим признакам принадлежат: живая масса, величин удоя и жирность молока, физиологические показатели и другие. Эти признаки характеризуются непрерывной изменчивостью и варьируют в интервале от минимума до максимума. Особенностью количественных признаков является сложный характер их наследования. Каждый из этих признаков контролируется не одним, а большим числом генов. Такой тип наследования называется полимерией. Уровень проявления количественного признака зависит от числа доминантных генов и влияния факторов внешней среды. В результате этого изменчивость количественных признаков складывается из генотипической и паратической (средовой).

Разные количественные признаки имеют неодинаковую степень генетической изменчивости. Определить долю наследственной изменчивости признака можно с помощью статистических методов.

При изучении наследования количественных признаков используются такие понятия как наследуемость и коэффициент наследуемости . Наследуемость – это статистический термин, который показывает долю генетической изменчивости в общей изменчивости признака. Наследуемость характеризует количественный признак у группы животных и служит показателем для прогнозирования эффективности селекции по фенотипическим показателям признака.

Коэффициент наследуемости показывает степень генетической детерминации количественного признака и выражает в долях единицы или процентах. Чем больше величина , тем больше изменчивость признака обусловлена генетическими факторами и меньше факторами среды. Если коэффициент наследуемой меньше 0,1 (или 10%), то увеличить значение признака методами массовой селекции очень трудно. Чем выше коэффициент наследуемости признака, тем эффективнее массовая селекция по нему.

Способы определения коэффициента наследуемости основаны на сходстве между родственными животными. С.Райт предложил для определения величины этого показателя использовать пути связей между генотипами и фенотипами родственных животных. При этом, чем больше степень сходства между родственниками, тем выше наследуемость признака. Для вычисления коэффициента наследуемости использует корреляционный или дисперсионный анализы. В зависимости от того, между какими родственниками изучается, сходство применяют различные формулы для определения коэффициента наследуемости. На схеме приводятся пути связи между фенотипами и генотипами матери и дочери (по Райту).

Генотип 0,5 Генотип 0,5 – влияние генотипа матери

матери дочери на генотип дочери

Һ - влияние генотипа на фенотип

r - коэффициент корреляции

Һ Һ между фенотипом матери и

дочери

Фенотип r Фенотип

матери дочери

Из схемы следует, что генотип дочери определяется генотипом матери, величина влияния которого равна 0,5. Остальная доля наследственности дочери обусловлена генотипом отца. Доля влияния генотипа на фенотип на схеме обозначена буквой . Связь между фенотипом материей и дочерей может быть определена с помощью коэффициента корреляции ( ). Так как связь между звеньями цепи выражается произведением коэффициентов путей, то можно записать равенство: или . Тогда формула для вычисления коэффициента наследуемости будет . Эта формула используется, когда для вычисления коэффициента наследуемости учитываются сведения о показателях у матерей и дочерей, отцов и сыновей, братьев и сестер. Для того чтобы исключить влияние изменчивости признака, вместо коэффициента корреляции было предложено использовать коэффициент регрессии . Отсюда м/д.

В некоторых случаях для вычисления коэффициента наследуемости используются сведения о полусибсах (полубратья и полусестры). Это животные, у которых один отец и разные матери. В этом случае формула для вычисления коэффициента наследуемости имеет вид: г.

Коэффициент наследуемости можно вычислить и с помощью дисперсионного анализа по формуле Cx : Cy; где - коэффициент наследуемости, Cx- доля наследственной изменчивости , Cy- общая изменчивость признака.

Величина коэффициента наследуемости зависит от многих факторов: изменчивость признака, направления и интенсивности отбора и др. Поэтому коэффициент наследуемости нужно вычислить для каждого конкретного стада. Среднее значение коэффициентов наследуемости для некоторых признаков приведены ниже.

Признаки у животных
Живая масса Удой коров за лактацию Жирность молока коров Толщина шпика у свиней Настриг шерсти у овец Яйценоскость кур	0,4 0,25 0,6 0,7 0,4 0,3

Коэффициент наследуемости показывает степень влияния родителей на продуктивные качества их потомства. Это позволяет использовать его для предсказания будущей продуктивности потомства (эффект отбора). Однако следует учитывать, что прогноз будет верным только в случае сохранения в хозяйстве одинаковых условий кормления и содержания. Для определения эффекта отбора (SE) вначале находят селекционный дифференциал (Sd) отклонение величины показателя признака у отобранной (селекционной) группы от среднего значения его в стаде.

Sd = M селекционной группы – M стада

Далее определяют эффект селекции: SE = , где 0,5 – коэффициент, указывающий на то, что матери передают своим дочерям половину наследственной информации, Sd - селекционный дифференциал, - коэффициент наследуемости.

Среднюю продуктивность дочерей (Мд) определяют по формуле:

Мд = Мм + SE

Таким образом, если средний удой коров стада равен 3000, а отобранной группы 4500 кг. При коэффициенте наследуемости удоя , то селекционный дифференциал будет:

Sd = М селек.гр. – М стада = 4500 – 3000 = 1500 (кг)

Эффект селекции за одно поколение составит:

(кг)

Продуктивность дочерей находим по формуле:

Мд = Мм + SE = 3000 + 187 = 3187 (кг)

Однако такой продуктивности дочери достигнут при полной замене стада через поколение или через 5 лет. Чтобы определить ежегодную прибавку удоя в стаде, нужно полученное значение селекционного эффекта разделить на интервал между поколениями, который для крупного рогатого скота составляет 5 лет.

SE за 1 год = 187 : 5 = 37,4 (кг)

Кроме определения эффекта селекции, коэффициент наследуемости учитывают при составлении селекционных индексов, которые используют в селекционной работе.

Лекция 13