Molecular genetics of the immotile short tail sperm defect

v2009okDiss. : Turku : Turun yliopisto, 200

Molecular genetics of the immotile short tail sperm defect

Hedelmättömyyttä aiheuttavan siittiöiden puolihäntävian molekyyligenetiikka Suomalaisissa Yorkshire karjuissa yleistyi 1990-luvun lopulla autosomaalisesti ja resessiivisesti periytyvä hedelmättömyyttä aiheuttava siittiöiden puolihäntävika (ISTS, immotile short tail sperm). Sairaus aiheuttaa normaalia lyhyemmän ja täysin liikkumattoman siittiön hännän muodostuksen. Muita oireita sairailla karjuilla ei ole havaittu ja emakot ovat oireettomia. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli kartoittaa siittiöiden puolihäntävian aiheuttava geenivirhe ja kehittää DNA-testi markkeri- ja geeniavusteiseen valintaan. Koko genomin kartoituksessa vian aiheuttava alue paikannettiin sian kromosomiin 16. Paikannuksen perusteella kahden geenimerkin haplotyyppi kehitettiin käytettäväksi markkeri-avusteisessa valinnassa. Sairauteen kytkeytyneen alueen hienokartoitusta jatkettiin geenitestin kehittämiseksi kantajadiagnostiikkaan. Vertailevalla kartoituksella oireeseen kytkeytynyt alue paikannettiin 2 cM:n alueelle ihmisen kromosomiin viisi (5p13.2). Tällä alueella sijaitsevia geenejä vastaavista sian sekvensseistä löydetyn muuntelun perusteella voitiin tarkentaa sairauteen kytkeytyneitä haplotyyppejä. Haplotyyppien perusteella puolihäntäoireeseen kytkeytynyt alue rajattiin kahdeksan geenin alueelle ihmisen geenikartalla. Alueelle paikannetun kandidaattigeenin (KPL2) sekvensointi paljasti introniin liittyneen liikkuvan DNA-sekvenssin, Line-1 retroposonin. Tämä retroposoni muuttaa geenin silmikointia siten, että sitä edeltävä eksoni jätetään pois tai myös osa introni- ja inserttisekvenssiä liitetään geenin mRNA tuotteeseen. Molemmissa tapauksissa tuloksena on lyhentynyt KPL2 proteiini. Tähän retroposoni-inserttiin perustuva geenitesti on ollut sianjalostajien käytössä vuodesta 2006. KPL2 geenin ilmenemisen tarkastelu sialla ja hiirellä paljasti useita kudosspesifisiä silmikointimuotoja. KPL2 geenin pitkä muoto ilmenee pääasiassa vain kiveksessä, mikä selittää geenivirheen aiheuttamat erityisesti siittiön kehitykseen liittyvät oireet. KPL2 proteiinin ilmeneminen hiiren siittiön hännän kehityksen aikana ja mahdollinen yhteistoiminta IFT20 proteiinin kanssa viittaavat tehtävään proteiinien kuljetuksessa siittiön häntään. Mahdollisen kuljetustehtävän lisäksi KPL2 saattaa toimia myös siittiön hännän rakenneosana, koska se paikannettiin valmiin siittiön hännän keskiosaan. Lisäksi KPL2 proteiini saattaa myös toimia Golgin laitteessa sekä Sertolin solujen ja spermatidien liitoksissa, mutta nämä havainnot kuitenkin vaativat lisätutkimuksia. Tämän tutkimuksen tulokset osoittavat, että KPL2 geeni on tärkeä siittiön hännän kehitykselle ja sen rakennemuutos aiheuttaa siittiöiden puolihäntäoireen suomalaisilla Yorkshire karjuilla. KPL2 proteiinin ilmeneminen ja paikannus siittiön kehityksen aikana antaa viitteitä proteiinin toiminnasta. Koska KPL2 geenisekvenssi on erittäin konservoitunut, nämä tulokset tuovat uutta tietoa kaikkien nisäkkäiden siittiöiden kehitykseen ja urosten hedelmättömyyteen syihin.The immotile short tail sperm (ISTS) defect is an autosomal recessive disease within the Finnish Yorkshire pig population. The defect is expressed in males as a shorter sperm tail length and immotile spermatozoa. Histological examination of spermatozoa from ISTS affected boars indicates that the axonemal complex and accessory structures of the sperm tail are severely compromised. Cilia in respiratory specimens from ISTS boars are physiologically normal and no adverse effects on reproductive performance of female relatives have been observed suggesting that other ciliated cell types are not influenced. The principal aim of this study was to map the ISTS associated chromosomal region and develop a DNA-test for marker and gene assisted selection within the Finnish Yorkshire pig population. In the initial genome wide screen the disease locus was mapped on porcine chromosome 16 within a 3 cM region and a two-marker-haplotype was developed for marker-assisted selection within analyzed families. The disease associated region was further fine-mapped in order to develop a 100% specific test for carrier detection. The disease-associated area was located to a 2 cM region on human chromosome 5p13.2 and polymorphisms from orthologous porcine genes within this region defined the disease-associated haplotype to include 8 genes in the human. Sequence analysis of the most probable candidate, KPL2, revealed the presence of an inserted Line-1 retrotransposon within an intron. The insertion affects splicing of the KPL2 transcript via skipping of the upstream exon or by causing the inclusion of an intronic sequence, as well as part of the insertion in the transcript. Both changes alter the reading frame leading to premature termination of translation. Since 2006 gene assisted selection for ISTS based on this insertion sequence has been made available to pig breeders in Finland. KPL2 expression profiling revealed various tissue specific transcript variants. The long form of KPL2 including the aberrantly spliced exon is expressed predominantly in porcine testicular tissue, which explains the tissue-specificity of the ISTS defect. Localization of the KPL2 protein in the murine testis and a possible interaction with IFT20 indicate a role in the delivery of flagellar proteins. Furthermore, the presence of KPL2 in the sperm tail midpiece also suggests a structural function in the sperm tail. Possible associations of the KPL2 protein with the Golgi complex and Sertoli cell/spermatid junction require further investigation. Current results show that the KPL2 gene is important for correct sperm flagella development. Disruption of this process is responsible for the ISTS defect in Finnish Yorkshire boars. Expression and interaction studies of the KPL2 protein allowed the function of KPL2 to be elucidated. Due to the highly conserved nature of spermatogenesis these results provide novel insights into sperm tail development and male infertility disorders in all mammalian species.Siirretty Doriast

Väitös, vihdoinkin

vo

Identification of reproduction-related gene polymorphisms using whole transcriptome sequencing in the Large White pig population

201

A combination of two variants in PRKAG3 is needed for a positive effect on meat quality in pigs

Peer reviewe

Transcriptome profiling of the murine testis during the first wave of spermatogenesis

201

Identification of copy number variations and candidate genes for reproduction traits in Finnish pig populations

Animal breeding programs can be improved by genetic markers associated with production and reproduction traits. Reproduction traits are important for economic success of pig production and therefore development of genetic tools for selection is of high interest to pig breeding. In this study our objective was to identify genomic regions as-sociated with fertility traits in two Finnish pig breeds using large scale SNP genotyping and genome wide association analysis and characterization of copy number variations (CNV). Since CNVs are structural variations of the genome they potentially have a large effect on gene expression and protein function. We analyzed 1265 genotyped boars for nine different reproduction traits and identified 46 CNV regions encompassing 13 genes. 11 of the CNV regions were shared between the breeds, 20 were unique to the Finnish Yorkshire and 15 to the Finnish Landrace. The ge-nome wide association (GWAS) analysis identified zero to five reproduction associated genomic regions per trait. Furthermore, we identified 23 genomic regions with 20 candidate genes associated with fertility traits using GWAS analysis. The identified CNV regions were compared against GWAS regions to detect candidate regions with an ef-fect on reproduction traits. This study reports candidate genes and genomic regions within two Finnish pig breeds for reproduction traits, which can be utilized in breeding programs.Peer reviewe