In dieser Doktorarbeit habe ich zwei Ansätze verfolgt, mit denen genetische Mechanismen, welche quantitativen Merkmalen zugrunde liegen, aufgezeigt und bestimmt werden können. In diesem Zusammenhang lag mein Fokus auf der Entwicklung effizienter Methoden um Genotyp-Phänotyp Assoziationen zu identifizieren. Durch diese lassen sich im Weiteren regulatorische Mechanismen beschreiben, welche phänotypische Unterschiede zwischen Individuen verursachen. Im ersten Ansatz habe ich Schlüsselmechanismen der Genregulation untersucht, welche die Entwicklung der Bruchfestigkeit von Eierschalen steuern. Das Ziel war es zeitliche Unterschiede der Signalkaskaden, welche die Eierschalen Bruchfestigkeit im Verlauf eines Vogellebens regulieren, zu detektieren. Hierfür habe ich die Bruchfestigkeit zu zwei verschiedenen Zeitpunkten innerhalb eines Produktionszyklus betrachtet und die Genotyp-Phänotyp Assoziationen mithilfe eines Random Forest-Algorithmus bestimmt. Für die Analyse der entsprechenden Gene wurde ein etablierter systembiologischer Ansatz verfolgt, mit dem genregulatorische Pathways und Master-Regulatoren identifiziert werden konnten. Meine Ergebnisse zeigen, dass einige Pathways und Master-Regulatoren (z.B. Slc22a1 und Sox11) gleichzeitig in verschiedenen Legephasen identifiziert wurden, andere (z.B. Scn11a, St8sia2 oder der TGF-beta Pathway) speziell in lediglich einer Phase gefunden wurden. Sie stellen somit altersspezifische Mechanismen dar.Insgesamt liefern meine Ergebnisse (i) signifikante Einblicke in altersspezifische und allgemeine molekulare Mechanismen, welche die Eierschalen-Bruchfestigkeit regulieren und bestimmen; und (ii) neue Zuchtziele, um die Bruchstärke von Eierschalen vor allem in späteren Legephasen zu erhöhen und somit die Eierschalen Qualität zu verbessern.
In meinem zweitem Ansatz, habe ich die Methode der Random Forests mit einer Strategie zur Signaldetektierung kombiniert, um robuste Genotyp-Phänotyp-Beziehungen zu identifizieren. Ziel dieses Ansatzes war die Verbesserung der Effizienz der Einzel-SNP basierten Assoziationsanalyse. Genomweite Assoziationsstudien (GWAS) sind ein weit verbreiteter Ansatz zur Identifikation genomischer Varianten und Genen, die verantwortlich sind für Merkmale, welche von Interesse sowohl für den akademischen als auch den wirtschaftlichen Sektor sind. Trotz des langjährigen Einsatzes verschiedener GWAS-Methoden stellt die zuverlässige Identifikation von Genotyp-Phänotyp-Beziehungen noch immer eine Herausforderung für viele quantitative Merkmale dar. Dies wird hauptsächlich durch die große Anzahl genomischer Loci begründet, welche lediglich einen schwachen Effekt auf das zu untersuchende Merkmal haben. Daher lässt sich Hypothese aufstellen, dass genomische Varianten, welche zwar einen geringen, aber dennoch realen Einfluss ausüben, in vielen GWAS-Ansätzen unentdeckt bleiben. Zur Behandlung dieser Unzulänglichkeiten wird in der Arbeit ein zweistufiges Verfahren verwendet. Zunächst werden kubische Splines für Teststatistiken und genomische Regionen angepasst. Die Spline-Maxima, welche höher als die zu erwartenden zufallsbasierten Maximalwerte ausfallen, werden als quantitative Merkmals-Loci (QTL) eingestuft. Anschließend werden die SNPs in diesen QTLs, basierend auf ihrer Assoziationsstärke mit den Phänotypen, durch einen Random Forests-Ansatz priorisiert. Im Rahmen einer Fallstudie haben wir unseren Ansatz auf reale Datensätze angewendet und eine plausible Anzahl, teilweise neuartiger, genomischer Varianten und Genen identifiziert, welche verschiedenen Qualitätsmerkmalen zugrunde liegen.In this thesis, I developed two frameworks that can help highlight the genetic mechanisms underlying quantitative traits. In this regard, my focus was to design efficient methodologies to discover genotype-phenotype associations and then use these identified associations to describe the regulatory mechanism that affects the manifestation of phenotypic differences among the individuals. In the first framework, I investigated key regulatory mechanisms governing the development of eggshell strength. The aim was to highlight the temporal changes in the signaling cascades governing the dynamic eggshell strength during the life of birds. I considered chicken eggshell strength at two different time points during the egg production cycle and studied the genotype-phenotype associations by employing the Random Forest algorithm on genotypic data. For the analysis of corresponding genes, a well established systems biology approach was adopted to delineate gene regulatory pathways and master regulators underlying this important trait. My results indicate that, while some of the master regulators (Slc22a1 and Sox11) and pathways are common at different laying stages of chicken, others (e.g., Scn11a, St8sia2, or the TGF-beta pathway) represent age-specific functions. Overall, my results provide: (i) significant insights into age-specific and common molecular mechanisms underlying the regulation of eggshell strength; and (ii) new breeding targets to improve the eggshell quality during the later stages of the chicken production cycle.
In my second framework, I combined the Random Forests and a signal detection strategy to identify robust genotype-phenotype associations. The objective of this framework was to improve on the efficiency of single-SNP based association analysis. Genome wide association studies (GWAS) are a well established methodology to identify genomic variants and genes that are responsible for traits of interest in all branches of the life sciences. Despite the long time this methodology has had to mature the reliable detection of genotype-phenotype associations is still a challenge for many quantitative traits mainly because of the large number of genomic loci with weak individual effects on the trait under investigation. Thus, it can be hypothesized that many genomic variants that have a small, however real, effect~remain unnoticed in many GWAS approaches. Here, we propose a two-step procedure to address this problem. In a first step, cubic splines are fitted to the test statistic values and genomic regions with spline-peaks that are higher than expected by chance are considered as quantitative trait loci (QTL). Then the SNPs in these QTLs are prioritized with respect to the strength of their association with the phenotype using a Random Forests approach. As a case study, we apply our procedure to real data sets and find trustworthy numbers of, partially novel, genomic variants and genes involved in various egg quality traits.2021-10-1
