한우에서 전장의 유전체 정보를 활용한 연관불평형 및 유효집단크기 추정에 관한 연구 Estimation of Linkage Disequilibrium and Effective Population Size using Whole Genome Single Nucleotide Polymorphisms in Hanwoo원문보기
본 연구는 한우 유전체 전장에 존재하는 고밀도 단일염기다형을 DNA chip을 이용하여 각각의 유전자형을 구명하고, 동일염색체 내에 존재하는 각 표지인자쌍의 연관불평형을 성 염색체를 제외한 모든 상염색체에서 추정하여 물리적 거리별 연관불평형의 정도를 확인하고 이러한 결과를 이용하여 한우 집단의 유효집단 크기를 추정하기 위하여 실시하였다. 한우개량사업소에서 2005년부터 2008년까지 후대검정에 공시된 후보종모우 및 후대 검정우 288두에 대해 혈액을 채취하고 Bovine SNP 50 DNA Chip을 이용하여 유전자형을 분석하였으며, 총 51,582 표지인자 중 결측률이 10% 이상인 표지인자 1개 및 다형성이 없는 표지인자 10,730개에 대해 사전제거를 실시하고 남은 40,851개의 SNP표지인자를 본 분석에 활용하였다. 연구 결과, 성 염색체를 제외한 상 염색체의 총 SNP표지인자의 길이는 2,541.6 Mb였으며, 염색체별 평균 SNP표지인자간 거리는 0.55에서 0.74로 분포하였으며, EM알고리즘을 이용하여 염색체별 연관불평형을 추정해 보았을 때, 기존의 보고된 연구와 유사하게 표지인자간 거리가 짧을수록 높게 나타나는 지수형태의 그래프를 나타냈으며, SNP표지인자간 거리에 따른 $r^2$를 보면, 0 Mb에서 0.1 Mb일 때 0.136, 0.1-0.2 Mb에서 0.06로 나타났다. Luo (1998)의 연구결과를 한우에 적용시켰을 때, 전체분산의 5%이상 설명하는 양적형질좌위 발굴을 위해서 약 2,000두의 표현형 자료가 필요할 것으로 사료되었다. 또한 한우의 세대별 유효집단 크기에 대해 추정해 본 결과, 현재 한우의 유효집단크기는 84두로 추정되었고, 지금으로부터 약 50세대 이전의 유효집단 크기는 1,150두로 추정되었다. 가축에서 인공수정이 도입(1960년대)된 이 후 개량의 가속화로 인해 한우의 유효집단 크기가 급격히 감소한 것으로 사료되었다.
본 연구는 한우 유전체 전장에 존재하는 고밀도 단일염기다형을 DNA chip을 이용하여 각각의 유전자형을 구명하고, 동일염색체 내에 존재하는 각 표지인자쌍의 연관불평형을 성 염색체를 제외한 모든 상염색체에서 추정하여 물리적 거리별 연관불평형의 정도를 확인하고 이러한 결과를 이용하여 한우 집단의 유효집단 크기를 추정하기 위하여 실시하였다. 한우개량사업소에서 2005년부터 2008년까지 후대검정에 공시된 후보종모우 및 후대 검정우 288두에 대해 혈액을 채취하고 Bovine SNP 50 DNA Chip을 이용하여 유전자형을 분석하였으며, 총 51,582 표지인자 중 결측률이 10% 이상인 표지인자 1개 및 다형성이 없는 표지인자 10,730개에 대해 사전제거를 실시하고 남은 40,851개의 SNP표지인자를 본 분석에 활용하였다. 연구 결과, 성 염색체를 제외한 상 염색체의 총 SNP표지인자의 길이는 2,541.6 Mb였으며, 염색체별 평균 SNP표지인자간 거리는 0.55에서 0.74로 분포하였으며, EM알고리즘을 이용하여 염색체별 연관불평형을 추정해 보았을 때, 기존의 보고된 연구와 유사하게 표지인자간 거리가 짧을수록 높게 나타나는 지수형태의 그래프를 나타냈으며, SNP표지인자간 거리에 따른 $r^2$를 보면, 0 Mb에서 0.1 Mb일 때 0.136, 0.1-0.2 Mb에서 0.06로 나타났다. Luo (1998)의 연구결과를 한우에 적용시켰을 때, 전체분산의 5%이상 설명하는 양적형질좌위 발굴을 위해서 약 2,000두의 표현형 자료가 필요할 것으로 사료되었다. 또한 한우의 세대별 유효집단 크기에 대해 추정해 본 결과, 현재 한우의 유효집단크기는 84두로 추정되었고, 지금으로부터 약 50세대 이전의 유효집단 크기는 1,150두로 추정되었다. 가축에서 인공수정이 도입(1960년대)된 이 후 개량의 가속화로 인해 한우의 유효집단 크기가 급격히 감소한 것으로 사료되었다.
This study was conducted to estimate the extent of linkage disequilibrium (LD) and effective population size using whole genomic single nucleotide polymorphisms (SNP) genotyped by DNA chip in Hanwoo. Using the blood samples of 35 young bulls born from 2005 to 2008 and their progenies (N=253) in a Ha...
This study was conducted to estimate the extent of linkage disequilibrium (LD) and effective population size using whole genomic single nucleotide polymorphisms (SNP) genotyped by DNA chip in Hanwoo. Using the blood samples of 35 young bulls born from 2005 to 2008 and their progenies (N=253) in a Hanwoo nucleus population collected from Hanwoo Improvement Center, 51,582 SNPs were genotyped using Bovine SNP50 chips. A total of 40,851 SNPs were used in this study after elimination of SNPs with a missing genotyping rate of over 10 percent and monomorphic SNPs (10,730 SNPs). The total autosomal genome length, measured as the sum of the longest syntenic pairs of SNPs by chromosome, was 2,541.6 Mb (Mega base pairs). The average distances of all adjacent pairs by each BTA ranged from 0.55 to 0.74 cM. Decay of LD showed an exponential trend with physical distance. The means of LD ($r^2$) among syntenic SNP pairs were 0.136 at a range of 0-0.1 Mb in physical distance and 0.06 at a range of 0.1-0.2 Mb. When these results were used for Luo's formula, about 2,000 phenotypic records were found to be required to achieve power > 0.9 to detect 5% QTL in the population of Hanwoo. As a result of estimating effective population size by generation in Hanwoo, the estimated effective population size for the current status was 84 heads and the estimate of effective population size for 50 generations of ancestors was 1,150 heads. The average decreasing rates of effective population size by generation were 9.0% at about five generations and 17.3% at the current generation. The main cause of the rapid decrease in effective population size was considered to be the intensive use of a few prominent sires since the application of artificial insemination technology in Korea. To increase and/or sustain the effective population size, the selection of various proven bulls and mating systems that consider genetic diversity are needed.
This study was conducted to estimate the extent of linkage disequilibrium (LD) and effective population size using whole genomic single nucleotide polymorphisms (SNP) genotyped by DNA chip in Hanwoo. Using the blood samples of 35 young bulls born from 2005 to 2008 and their progenies (N=253) in a Hanwoo nucleus population collected from Hanwoo Improvement Center, 51,582 SNPs were genotyped using Bovine SNP50 chips. A total of 40,851 SNPs were used in this study after elimination of SNPs with a missing genotyping rate of over 10 percent and monomorphic SNPs (10,730 SNPs). The total autosomal genome length, measured as the sum of the longest syntenic pairs of SNPs by chromosome, was 2,541.6 Mb (Mega base pairs). The average distances of all adjacent pairs by each BTA ranged from 0.55 to 0.74 cM. Decay of LD showed an exponential trend with physical distance. The means of LD ($r^2$) among syntenic SNP pairs were 0.136 at a range of 0-0.1 Mb in physical distance and 0.06 at a range of 0.1-0.2 Mb. When these results were used for Luo's formula, about 2,000 phenotypic records were found to be required to achieve power > 0.9 to detect 5% QTL in the population of Hanwoo. As a result of estimating effective population size by generation in Hanwoo, the estimated effective population size for the current status was 84 heads and the estimate of effective population size for 50 generations of ancestors was 1,150 heads. The average decreasing rates of effective population size by generation were 9.0% at about five generations and 17.3% at the current generation. The main cause of the rapid decrease in effective population size was considered to be the intensive use of a few prominent sires since the application of artificial insemination technology in Korea. To increase and/or sustain the effective population size, the selection of various proven bulls and mating systems that consider genetic diversity are needed.
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문제 정의
본 연구는 이러한 견지에서 한우의 유전체 선발 및 마커도움선발(Marker Assisted Selection)에 대한 사전작업의 일환으로 고밀도의 단일염기다형 DNAchip을 이용하여 성 염색체를 제외한 모든 상염색체 단위에서 각 표지인자간 연관 불평형의 크기를 추정하였으며, 더불어 현재 및 선조세대의 한우에 대한 유효집단의 크기에 대한 변화를 알아보고자 수행하였다.
가설 설정
본 연구에서는 단순하게 1 cM (물리적 거리)과 1 Mb (유전적 거리)와 동일하다라고 가정하여 분석하였다[23]
연관불평형은 돌연변이 및 재조합(Recombination)에 의해 발생되며, 재조합의 경우 염기서열간의 거리가 먼 좌위쌍(locus pair)에서 발생할 확률이 높기 때문에, 거리와 연관불평형의 값(r2)을 안다면 돌연변이가 없다는 가정하에 Sved(1971)가 제안한 아래 공식을 통해 세대에 따른 유효집단의 크기를 추정하였다. 본 연구에서는 단순하게 1 cM (물리적 거리)과 1 Mb (유전적 거리)와 동일하다라고 가정하여 분석하였다[23]
제안 방법
공시동물로부터 얻어진 288두의 혈액은 Bovine SNP 50 DNA Chip 을 이용하여 유전자형분석을 실시하였으며, 여기서 얻어진 유전자형 원시자료는 Illumina회사의 GenomeStudio software v. 1.0.2.20706를 이용하여 시각화 및 수치 데이터로 변환하였다. 본 연구에서 A, T, G, C의 염기서열로 구성된 유전자형을 소수대립유전자(Minor allele)가 동형일 경우 0, 이형 대립유전자는 1, 다수대립유전자(Major allele)의 동형에서 2로 변환하여 사용하였다.
그러나 D’을 통한 연관불평형 추정은 집단의 크기가 작거나 대립유전자빈도가 적을 경우 과대추정(Overestimate)될 수 있기 때문에[4,14] r2를 이용하여 연관불평형을 추정하였다.
두 좌위가 각각 동형이거나 두 좌위 중 하나의 유전자형이 동형일 경우 일배체형의 빈도를 계산할 수 있으나, 두 좌위 모두 이형일 경우(double heterozygotes)는 DNA chip의 분석결과로는 상인상태( (A1B1 | A2B2), 상반상태(A1B2 | A2B1)를 구분하지 못하기 때문에 EM algorithm (Expectation Maximization Algorithm)를 이용하여 p(A1B1 )| p(A1B2) 와 p(A1B2 )| p(A2B1)의 조건부 확률을 계산하여 변화량이 일정량 이하(10-5)감소할 때까지 반복 연산하여 연관불평형의 값을 추정하였다[3].
즉, 표지인자간 거리가 보다 가까운 위치에서 발생한 연관불평형 값은 보다 더 오래전 세대에 발생했음을 나타낸다고 할 수 있다[8,17]. 따라서 한우의 세대별 유효집단의 크기는 세대의 간격을 설정하고 해당 세대의 r2값의 평균값으로 유효집단의 크기 추정하였으며, 아래의 계산식에 의해 세대(Generation)당 감소율을 계산하였다.
본 연구에서 A, T, G, C의 염기서열로 구성된 유전자형을 소수대립유전자(Minor allele)가 동형일 경우 0, 이형 대립유전자는 1, 다수대립유전자(Major allele)의 동형에서 2로 변환하여 사용하였다. 또한 각 표지인자의 유전자형 정보에 대한 결측률이 10% 이상이거나 다형성이 없는 표지인자(Monomorphic marker)의 경우, 본 연구에서 제거하였으며 (Table 1), 남아있는 표지인자의 결측데이터는 fastPHASE 1.2 프로그램을 활용하여 추정 후 보정을 실시하여 염색체별 표지인자간 연관불평형을 추정하였다[18].
20706를 이용하여 시각화 및 수치 데이터로 변환하였다. 본 연구에서 A, T, G, C의 염기서열로 구성된 유전자형을 소수대립유전자(Minor allele)가 동형일 경우 0, 이형 대립유전자는 1, 다수대립유전자(Major allele)의 동형에서 2로 변환하여 사용하였다. 또한 각 표지인자의 유전자형 정보에 대한 결측률이 10% 이상이거나 다형성이 없는 표지인자(Monomorphic marker)의 경우, 본 연구에서 제거하였으며 (Table 1), 남아있는 표지인자의 결측데이터는 fastPHASE 1.
Table 1의 결과를 보면, SNP 표지인자 유전자형의 결측률이 10%이상인 것은 한 개의 표지인자에서 나타났으며(15번 염색체), 다형성이 없는 표지인자의 경우 유전체 전장에서 총 10,730개로 나타났으며, Hardy-Weinberg chi-square value 가 600 미만인[6] 표지인자는 없는 것으로 나타났다. 이러한 요인들은 연관불평형의 추정에 영향을 미칠 수 있는 요인이므로 사전에 제거하여 총 40,851개의 표지인자가 본 분석에 사용되었으며, 염색체별로 동일 염색체상에 존재하는 모든 표지인자쌍(Syntenic SNP pairs)간의 연관불평형 정도(r2)를 계산하였다. 또한 Table 1에 보면 다형성이 나타나지 않은 표지인자의 비율이 전체 표지인자의 약 20%를 차지하였는데, 이러한 원인으로 ①실제 SNP가 아닌 경우, ②국내 한우 집단의 집단 유전학적 특성으로 다른 품종에서는 다형성이 존재하나 한우에서는 다형성이 없는 경우, ③소수의 대립유전자(Minor allele)의 빈도가 매우 낮을 경우, ④본 연구에 사용된 표본두수 부족으로 인한 집단의 특성을 반영하지 못하거나 연구에 사용된 표본집단의 근친도가 높을 경우 등으로 추론해 볼 수 있을것으로 사료된다.
대상 데이터
또한 우리나라에서 사육되고 있는 95% 이상의 대부분의 한우개체는 한우개량사업소에서 생산된 종모우의 반형매 집단이며, 수소의 개량은 암소의 개량보다 효율적인 측면에서 높기 때문에 본 연구의 공시동물은 농협중앙회 한우개량사업소의 46-47차 후보종모우 35두 및 이들 후보종모우의 자손인 후대검정우 253두를 포함해 총 288두의 혈액정보를 이용하여 연관불평형 및 한우 유효집단의 크기를 추정하였다.
이론/모형
본 연구에서 연관불평형을 이용한 유효집단 추정 방법은 서로 먼 좌위 사이에서 세대가 지나갈수록 연관불평형이 빠르게 줄어드는 현상으로 인하여 먼 거리 좌위쌍 사이의 연관불평형은 최근의 유효집단 크기를 반영하며, 가까운 거리의 경우에서는 먼 선조 세대의 유효집단 크기를 반영하는 현상을 수식화한 Sved (1971) 수식을 이용하여 분석하였다. 한우의 세대별 유효집단의 크기 및 세대당 변화율에 대하여 Fig.
성능/효과
Table 1의 결과를 보면, SNP 표지인자 유전자형의 결측률이 10%이상인 것은 한 개의 표지인자에서 나타났으며(15번 염색체), 다형성이 없는 표지인자의 경우 유전체 전장에서 총 10,730개로 나타났으며, Hardy-Weinberg chi-square value 가 600 미만인[6] 표지인자는 없는 것으로 나타났다. 이러한 요인들은 연관불평형의 추정에 영향을 미칠 수 있는 요인이므로 사전에 제거하여 총 40,851개의 표지인자가 본 분석에 사용되었으며, 염색체별로 동일 염색체상에 존재하는 모든 표지인자쌍(Syntenic SNP pairs)간의 연관불평형 정도(r2)를 계산하였다.
3 Mb로 가장 짧았으며, 1번 염색체가 161 Mb로 가장 길이가 길게 나타났다. 또한 염색체별 SNP표지인자간의 평균 거리는 0.055~0.074 Mb로 분포하였으며, 표지인자간 거리에 대한 표준편차에서도 알 수 있듯이 표지인자간 거리가 균일하지 않게 나타났고, 이 중 5번 염색체에서 0.074 Mb로 표지인자간 거리가 가장 긴 것으로 추정되었다.
2에 나타냈다. 본 연구에서 추정된 연관불평형(r2)은 기존의 보고된 연구[17,20,22]와 유사하게 표지인자간 거리가 짧을수록 높게 나타나는 지수분포 형태를 보였다. SNP표지인자간 거리에 따른 r2를 보면, 0-0.
염색체별 SNP표지인자 정보에 대한 요약은 Table 2에 나타내었다. 성염색체를 제외한 상염색체에서 서로 거리가 가장 먼 표지인자쌍의 총합으로 계산된 총 길이는 2,541.6 Mb이며, 염색체별로는 25번 염색체가 43.3 Mb로 가장 짧았으며, 1번 염색체가 161 Mb로 가장 길이가 길게 나타났다. 또한 염색체별 SNP표지인자간의 평균 거리는 0.
3에 나타내었다. 현재 한우의 유효집단의 크기의 추정치는 84두로 나타났으며, 지금으로부터 약 50세대 이전의 유효집단크기는 1150두로 추정되어 현재세대에 가까울수록 유효집단의 크기가 적게 나타났다. 이는 Sargolzaei 등(2008)의 북아메리카에 홀스타인 종에서 강선발로 인해 유효집단의 크기가 줄어든 것과 유사하게 나타난[17] 반면, 강한 선발이 이루어지지 않은 것으로 추정되는 서아프리카의 소는 최근 세대가 이전 세대보다 유효집단이 큰 것으로 보고되어[21] 본 연구와는 다른 결과를 나타냈다.
후속연구
15의 r2에서 95% 이상의 검정력을 갖기 위해선 약 2,000두의 검정자료가 필요할 것으로 추정하였다[12]. Luo (1998)의 연구결과를 유추하여 해석한다면 한우의 개량에 있어서 유전체 정보를 이용할 경우, r2의 증가에 의한 검정력을 증가시키기 위해서는 고밀도의 SNP정보를 이용하면 가능할 것으로 사료되며 현재 Bovine SNP 700 DNA Chip 이 개발됨에 따라 기존보다 더 고밀도로 개체유전정보에 대한 분석이 가능해졌기 때문에 이를 양적형질좌위 발굴에 활용한다면, 표지인자간 연관불평형의 크기가 증가함에 따라 기존의 두수로 보다 높은 검정력을 얻을 수 있을 것으로 사료된다.
따라서 표지인자에 대한 정보를 활용한 간접추정으로 가능하며, 이 때의 QTL과 표지인 자간 연관불평형 크기는 표지인자가 QTL효과의 분산을 얼마나 설명할 수 있는지에 대한 정도로 나타내기 때문에[4], QTL 발굴에 앞서 표지인자간 연관불평형 크기의 추정은 상당한 의미가 있는 사전작업이라고 할 수 있다. 또한 연관불평형의 크기를 이용하여 세대별 유효집단의 크기를 추정할 수 있으며, 이를 통해 한우집단의 다양성 변화에 대해 간접예측이 가능하다고 하겠다.
또한 Table 1에 보면 다형성이 나타나지 않은 표지인자의 비율이 전체 표지인자의 약 20%를 차지하였는데, 이러한 원인으로 ①실제 SNP가 아닌 경우, ②국내 한우 집단의 집단 유전학적 특성으로 다른 품종에서는 다형성이 존재하나 한우에서는 다형성이 없는 경우, ③소수의 대립유전자(Minor allele)의 빈도가 매우 낮을 경우, ④본 연구에 사용된 표본두수 부족으로 인한 집단의 특성을 반영하지 못하거나 연구에 사용된 표본집단의 근친도가 높을 경우 등으로 추론해 볼 수 있을것으로 사료된다. 또한 이러한 결과에 대해서는 추가적인 연구를 통해 검증되어야 할 부분으로 사료되며, 한우품종에서만 변이성이 없는 표지인자가 존재한다면 DNA chip 제조 시 앵거스, 헤어포드, 홀스타인 등의 여러 품종에 대한 유전변이를 총체적으로 수집하여 제조하였으므로, 동일한 DNA chip을 이용하였을 경우 다른 품종과의 비교 연구를 통하여 한우와 타 육우품종을 구별하는 표지인자로 사용이 가능할 것으로 사료된다. 이와 관련하여 Dadi 등(2012)은 Illumina 50K SNP chip 을 이용하여 한우와 6개의 다른 소 품종과 다형성을 비교 연구를 하였는데 그 결과 한우에서 6개의 다른품종에 다형성이 없는 7개의 표지인자를 찾았다고 보고하였다[1]
이는 인공수정기술의 발달로 개량의 속도가 가속화 된 반면에 인공수정 기술을 활용하기 이전보다 적은 두수의 종축이 후대축을 생산함에 따라 한우의 유효집단크기가 감소하였을 것으로 추정된다. 또한 현재 한우개량은 대부분 종모우의 인공수정에 크게 의존되어 있으며, 이 중에서도 특정 종모우의 선호로 인한 근친 및 유전적 다형성의 소실이 우려되고 있기 때문에 이를 해결하기 위한 방안으로 국가기관 및 대학에서 암소검정사업을 실시하고 있으며, 앞으로 암소검정을 통해 특정 종모우 선호가 아닌 맞춤형 교배조합 실시하여 유전적 다형성에 대한 소실을 최소화하고 유전적 부동현상을 방지할 수 있을 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
가축의 경제형질의 선발은 전통적으로 무엇에 근거하여 분석되었는가?
가축에서 소득과 연관되어 있는 경제형질의 선발은 전통적으로 개체의 표현형자료 및 혈연관계에 근거하여 분석되어 왔다. 그러나 최근 유전체정보를 활용한 연구 및 분석기법이 급속도로 발전함에 따라 분석비용이 감소하고 단기간에 대용량의 유전체 분석이 가능해져 가축의 개체별 유전능력 평가에 유전체 정보를 활용하는 기법이 상용화 단계에 접어들고 있다.
한국 한우 수소의 개량은 어디에서 실시되는가?
우리나라의 한우품종은 고유품종으로써 외부로부터의 유전자원이 도입되지 않는 폐쇄된 집단이며, 한우 수소의 개량은 농협 중앙회 한우개량사업소를 통해 국가에서 실시하고 있다. 또한 우리나라에서 사육되고 있는 95% 이상의 대부분의 한우개체는 한우개량사업소에서 생산된 종모우의 반형매 집단이며, 수소의 개량은 암소의 개량보다 효율적인 측면에서 높기 때문에 본 연구의 공시동물은 농협중앙회 한우개량사업소의 46-47차 후보종모우 35두 및 이들 후보종모우의 자손인 후대검정우 253두를 포함해 총 288두의 혈액정보를 이용하여 연관불평형 및 한우 유효집단의 크기를 추정하였다.
가축 경제형질의 선발을 위해 최근 활용되는 방법은 무엇인가?
가축에서 소득과 연관되어 있는 경제형질의 선발은 전통적으로 개체의 표현형자료 및 혈연관계에 근거하여 분석되어 왔다. 그러나 최근 유전체정보를 활용한 연구 및 분석기법이 급속도로 발전함에 따라 분석비용이 감소하고 단기간에 대용량의 유전체 분석이 가능해져 가축의 개체별 유전능력 평가에 유전체 정보를 활용하는 기법이 상용화 단계에 접어들고 있다. 국내·외 육우 및 젖소의 경우 50K Illumina Bovine Bead chip을 이용하여 유전체 전장에 존재하는 약 5만개의 단일염기다형(SNP, Single Nucleotide Polymorphisms) 표지인자에 대한 유전자형 자료를 통한 유전체선발(Genomic Selection) 및 양적형질좌위(Quantitative Trait Loci) 탐색에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다[5,19,24]
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