استفاده از ديدگاه ژنهاي كانديدا و تكنيكهاي فن آوري زيستي در افزايش و بهبود خصوصيات توليد شير دامهاي شيرده
تاليف و ترجمه: مهندس آرش جوانمرد
بخش ژنوميكس، پژوهشكده بيوتكنولوژي شمالغرب و غرب كشور
شير و فرآوردههاي لبني حاصل از آن، مهمترين منابع غذائي مورد استفاده در تغذيه هستند كه احتياجات انرژي و پروتئين با كيفيت بالا و انواع ويتامينها و مواد معدني را برآورده ميكنند. در گذشته عمده برنامه هاي اصلاح نژاد گاوهاي شيرده بر آزمون نتاج يا انتخاب نرهاي ممتاز بر اساس ركود توليدي دختران استوار بود و در جمعيت دختران اين گاوهاي نر نيز ركورد گيري براي صفت توليد شير صورت مي پذيرفت و نهايتا نرهايي با ارزش ژنتيكي افزايشي مناسب براي توليد شير انتخاب مي گرديد. چنين انتخابي به اين دليل انجام مي شد كه تنها صفت توليد شير ارزش اقتصادي داشت. امروزه ارزش گاوهاي ماده منحصرا بوسيله توليد شير مشخص نمي شود بلكه چربي و پروتئين نيز درآمد ناشي از فروش شير را تحت تاثير قرار مي دهند. درصد چربي و پروئتين شير از نظر ارزش اقتصادي در قيمت گذاري شير ضروري مي باشد و بنابراين در كنار ساير اهداف اصلاحي اين صفات نيز از اهميت خاصي برخوردارند. علارغم اينكه انتخاب فنوتيپي و استفاده از مدلهاي حيواني، همواره توانسته پيشرفت ژنتيكي مناسبي را در نسلهاي آتي به وجود آورد اما نياز به روشهاي كه منجر به كاهش فاصله نسلي شده و همچنين افزايش دقت ارزيابي هاي ژنتيكي گردد، همواره احساس شده است. لذا يكي از راهكارهاي احتمالي مناسب موجود براي دستيابي به اين اهداف، كاربرد نشانگرهاي ژنتيكي مي باشد كه بطور مستقيم و يا غير مستقيم بر توليد شير و خصوصيات آن تاثيرگذار مي باشد. ديدگاه ژنهاي كانديدا يكي از جديدترين محورهاي تحقيقاتي براي بهبود خصوصيات شير توليدي در دامهاي شيرده مي باشد كه در دهه اخير زمينه بسياري از تحقيقات ژنتيك مولكولي در زمينه اصلاح نژاد گله هاي شيرده را به خود اختصاص داده است . نشانگرهاي DNA با اطلاعاتي كه قبل از تظاهر صفت مورد انتخاب فراهم مي نمايند، احتمالا دستاوردهاي مناسبي را به همراه داشته و برنامه هاي اصلاحي را به يك بازده مناسب هدايت كنند. اين مقاله سعي دارد در يك نگرش اجمالي بعضي از ژنهاي تاثير گذار بر روي كميت و كيفيت شير و فرآوردهاي لبني حاصل از آن و همچنين ديدگاههاي زيست فن آوري موجود را به خوانندگان معرفي نمايد.
الف- ژنهاي كد كننده پروتئينهاي شير:
در تمامپستانداران پروتئينهاي شير به دو گروه عمده كازئينها و پروتئينهاي آب پنير تقسيم ميگردند كه نوع و مقدار آنها در جدول يك آورده شده است.
جدول يك : درصد هر يك از پروتئين هاي شير در پستانداران
| %Whey |
%Casein |
%Total |
|
-
-
-
-
-
58
13
12
6
12 |
44
11
25
14
5
-
-
-
-
-
|
83
36
9
21
12
4
17
10
2
2
1
2
|
Caseins
αs1-casein
αs2-casein
β-casein
κ-casein
γ-casein
Whey
β-actoglobulin
α-lactalbumin
Immonoglobulin
Serum albumin
Minor protein |
پليمورفيسم پروتئينهاي شير
از زماني كه براي اولين بار دو واريانت براي پروتئين b-lactoglobulin شير گاو توسAschaffenburg Drewry كشف گرديد نشان داده شد كه ساير پروتئينهاي شير هم چند شكل ژنتيكي نشان ميدهند و اختلاف ژنتيكي به علت جهش در ژنها ميباشد كه منجر به جانشينييك اسيدآمينه يا حذف يك يا چند اسيدآمينه در پروتئينهاي شير ميگردد. تا امروز در شير گاو چندين واريانت در CN -1as، ;-La , K-CN ,B-CN-2as وبتالاكتوگلوبولين تعيين شده كه از 30 واريانت مشخص شده براي 6 پروتئين شيردر مورد واريانت A در Casein-1as و واريانتD درCasein -2as31 و 91 اسيدآمينه حذف شده ولي در 82 مورد بقيه فقط جانشيني ساده وجود دارد كه در تمام موارد تفاوت درتركيب اسيدهاي آمينه باعث تغيير در وظيفه ويژه آنها در پروتئين شده است. از اينرو تمامواريانتهاي توضيح داده شده توسط روش الكتروفورز تشخيص داده ميشود به علتاينكه تمام اسيدهاي آمينه تفاوتهاي قابل مشاهدهاي را در الكتروفورز نشان نميدهند ميتوانحدس زد كه استفاده از تكنيك الكتروفورز تنها 41 واريانتهاي ژنتيكي ممكن را آشكارميسازد
پليمورفيسم پروتئينهاي شير :
در تمام گونههاي پستانداران هتروزيگوتي بيشتري در كازئينها نسبت به پروتئينهاي آب پنير مشاهده شده است. هر چهار نوع كازئين شير گوسفند كه ژن كد كننده آنها در روي كروموزوم 6 و به صو متوالي در كنار هم قرار گرفتهاند، و اين كازئين ها عبارتند از :
K-casein : داراي 171 اسيدآمينه است و توسط روشSSCP سه واريانت از آن كشفشده است.
B-casein داراي سه اللA,B,C ميباشد
: as1-casein داراي 6 الل(A-E) ميباشد.
: as2-casein داراي دو واريانت ميباشد1
پروتئينهاي آب پنير شير گوسفند در روي كروموزوم شماره 3 تعيين محل شدهاند و عبارتند از:
: a-lactalbomin داراي دو الل ميباشد.
: b-lactoglobulin تا به حال 3 الل براي آن تشخيص داده شده است.
1- مجموعه ژنهاي كازئين شير(Casein gene)
در گاو ژنهاي هر 4 كازئين بر روي كرموزوم 6 و به صورت مجموعهاي متوالي قرار گرفته a-la در روي كروموزوم 5 وb-lg در روي كروموزوم 11 تعيين نقشه شدهاند.
ژنهاي بخش كازئين شير به چهار گروه عمده K-Casein (با وزن مولكولي 19800 دالتون و 169 اسيد آمينه)، Beta-Casein (با وزن مولكولي 24000 دالتون و 209 اسيد آمينه)، as1-Casein (با وزن مولكولي 23000 دالتون و 199 اسيد آمينه) و as2-Casein (با وزن مولكولي 25000 دالتون و 207 اسيد آمينه) تقسيم مي شوند كه در گاو، بر روي كروموزوم شمار 6 و در گوسفند و بز بر روي كروموزوم شماره 4 قرار گرفته اند. كاپا كازئين يكي از مهمترين پروتئينهاي شير است و توسط ژني با پنج اگزون و چهار اينترون كنترل مي گردد. مقدار پنير توليدي و همچنين مانده گاري شير در خارج از يخچال بطور مستقيم به خصوصيات كاپا كازئين شير بستگي دارد. الل B ژن كاپاكازئين كه حاصل بروز جهش نقطه اي (T/C) در موقعيت اگزون 4 مي باشد موجب بالا رفتن راندمان توليد شير به پنير مي شود در كاتالوگهاي اسپرم ژنوتيپهاي BB يا AB بيانگر ژنوتيپ هاي مطلوب براي توليد شير مورد استفاده در كارخانجات پنيرسازي مي باشد. كه موجب كاهش زمان انعقاد شير و بالارفتن ثبات و استحكام دلمه شدن آن مي شود.
1- ژن بتالاكتوگلوبولين (Beta-lactoglobulin):
از زماني كه بتالاكتوگلوبولين گاو توسطPalmer در سال 1943 از شير جدا شد مطالعه زيادي به هر گونه ممكن روي آن صورت گرفت ولي اصطلاح بتالاكتوگلوبولين را براي اولين بارGannar وهمكارانش در 1942 بر روي بخشهاي جدا شده توسطPalmer بكار بردند. بتالاكتوگلوبولين پروتئين اصلي بخش آب پنير شير نشخوار كنندگان است و بر حيوانات تكمعدهاي مثل خوك ، اسب ، سگ ، گربه و كانگورو و حتي حيوانات دريايي مثل وال و دلفين داراي پروتئين بتالاكتوگلوبولين در شير خود هستند.Mackenzi Bell بيان داشتند كه در شير انسان بتالاكتوگلوبولين يافت نميشود وروشهايRadioImonono ثابت كرد كه در شير انسان حدود 008-5 ميكروگرم بر ليتر پروتئين بتالاكتوگلوبولين گاو يا حداقل پپتيدهاي آنتيژنيك وجود دارد كه به نظر ميرسد از طريق جيرهغذايي وارد شير انسان شده باشند. در شير جوندگان بتالاكتوگلوبولين وجود ندارد ولي در شيرموش خانگي و صحرايي پروتئين آب پنير اصليwhey acidic protein)WAP ) است كه از لحاظ وزن مولكولي به بتالاكتوگلوبولين شبيه است وليWAP در شير نشخواركنندگان وجود ندارد. در سال 1964Li با استفاده از الكتروفورز پروتئينهاي شير ثابت كرد كه بتالاكتوگلوبولين هتروزيگوت است و از آن زمان تلاشهاي زيادي جهت پيداكردن واريانتهاي ژنتيكيبتالاكتوگلوبولين در گونههاي مختلف صورت گرفته است به طوري كه تا سال 2000 حدود 8واريانت براي بتالاكتوگلوبولين گاو، 3 واريانت براي بتالاكتوگلوبولين گوسفند پيدا شد.
بتالاكتوگلوبولين پروتئين اصلي بخش آب پنير شير نشخواركنندگان است كه داراي وزن مولكولي 18200 دالتون است كه در گاو و بز بر روي كروموزوم شماره 11 و در گوسفند بر روي كروموزوم شماره 3 تعيين نقشه شده است. ژن بتالاكتوگلوبولين در گوسفند داراي 9737 جفت باز است و شامل 7 اگزون و 6 اينترون مي باشد كه اگزون 7 اين ژن كاملا غير فعال است و 6 اگزون اوليه مسئول توليد پروتئين بتالاكتوگلوبولين مي باشند. ارتباط چندشكلي هاي موجود در اين ژن با صفات توليد شير به خوبي مورد بررسي قرار گرفته است. ژن آلفا لاكتالبومين يكي ديگر از ژنهاي بخش آب پنير است كه در گاو در كروموزوم 5 و در گوسفند در كروموزوم 3 شناسائي شده است و داراي 1400 دالتون وزن مولكولي است.
ب- ژنهاي كانديدا با توليد شير و خصوصيات آن:
1- مجموعه ژني هورمون رشد، گيرنده هورمون رشد (GH/GHR):
ژن هورمون رشد داراي 5 اگزون و 4 اينترون مي باشد كه كد كننده پروتئيني با 191-190 اسيد آمينه مي باشد كه از غده هيپوفيز قدامي ترشح مي شود اين هورمون نقش كليدي در فرايندهاي متابوليكي مانند رشد، توليد مثل، پيري، پاسخهاي ايمني، بلوغ، اشتها، چربي لاشه و اسپرماتوژنز دارد بررسي جهشهاي موجود در نواحي مختلف اين ژن همواره مورد توجه بسياري از متخصصان اصلاح نژاد مي باشد. ارتباط چندشكليهاي اين ژن با خصوصيات توليد شير بطور وسيعي مورد بررسي قرار گرفته است. ژن گيرنده هورمون رشد داراي 10 اگزون و 9 اينترون مي باشد كه دايمر شدن آن با هورمون رشد، براي انتقال پيام هورمون رشد به داخل سلول لازم مي باشد. ارتباط ژن گيرنده هورمون رشد با فنوتيپ كوتولگي و همچنين با خصوصيات توليد شير و وزن از شيرگيري و وزن كشتار در سطح وسيعي بررسي شده است.
2- ژن لپتين (Leptin gene):
لپتين از واژه Leptus به معني لاغري گرفته شده است اين هورمون در نتيجه جهش ايجاد شده در سطح ژن مسئول چاقي توليد ميشود منبع اصلي ترشح لپتين سلولهاي آديپوسيت بافتهاي چربي بخصوص آديپوز سفيد مي باشد. اعتقاد بر اين است كه اين هورمون عمده ترين كنترل كننده اشتها، متابوليسم انرژي، بلوغ، باروري، ايمني و افزايش وزن بدن مي باشد. اين ژن داراي 3 اگزون و 2 اينترون مي باشد و از لحاظ اصلاح نژاد براي بهبود و كيفيت گوشت، باروري، بازده مصرف خوراك و توليد شير حائز اهميت است.
3- ژنهاي PIT1/IGF1 (PIT1/IGF1 gene):
ژن PIT1 بعنوان يك فاكتور اختصاصي نسخه برداري در غده هيپوفيز شناسائي شده است. پروتئين كد شونده توسط اين ژن ميزان تظاهر ژن هورمون رشد و پرولاكتين را كنترل مي كند وجود چندشكلي در توالي اين ژن احتمالا در ميزان و تعداد نسخه برداري ژنهاي هورمون رشد و پرولاكتين ضروري مي باشد بنابراين اين ژن بعنوان ژن كانديدا براي صفات مرتبط با رشد در گاوهاي گوشتي شناخته شده است. ژن IGF1 ژن ديگري است كه پروتئين حاصل از اين ژن در تنظيم عمل هورمون رشد نقش عمده اي دارد. ژن IGF1، سوماتومدين C نام دارد كه توسط كبد ساخته مي شود و داراي 70 اسيدآمينه است. بسياري از مقالات نشان داده اند كه عمل هورمون رشد از طريق واسطه گري پروتئين IGF1 عمل مي كند.
ژن لاكتوفرين (Lactoferin gene):
لاكتوفرين يك گليكوپروتئين متصل شونده به آهن است كه متعلق به خانواده ژنهاي ترانسفرين مي باشد لاكتوفرين گاو بزرگترين ژن از دسته پروتئين هاي شير است كه شامل 17 اگزون مي باشد لاكتوفرين متداولترين مكانيسم دفاع شيميايي موجود در شير است اين پروتئين موجود در شير از رشد باكتري هاي نيازمند به آهن، با مهار آهن جلوگيري مي كند و در نهايت با غير قابل دسترس كردن آهن براي استفاده باكتري از رشد باكتري جلوگيري مي كند. در نتيجه گاوهاي شيرده با ژنوتيپ مطلوب براي اين ژن از كيفيت شير مناسب و فاقد آلودگي برخوردار خواهند بود.
ديدگاه انتقال ژن و ايجاد حيوانات تراريخت حاوي شير مناسب
در كنار ديدگاه ژنهاي كانديدا كه در بالا مورد بحث قرار گرفت، يكي ديگر از اهداف بهبود كيفيفت شير، استفاده از انتقال ژن در دامهاي شيرده به منظور تغيير تركيبات شير ميباشد. مقدار پنير توليد مستقيما به خصوصيت مقدار كاپاكازئين شير وابسته است بدين معني كه مايه پنير فقط كاپاكازئين را سوبسترا قرار ميدهد و آن را به دو قسمت يك بخش كوچك كه 5% وزن كازئين اوليه را دارد و يكبخش بزرگتر كه پاراكاپاكازئين است تقسيم ميكند.
پاراكازئينات حاصل از محلول مايهِ پنير در برابر يون كلسيم حساس بوده و رسوب ميكندتجزيه كاپاكازئين باعث بهم خوردن تعادل بارهاي الكتريكي شده و به دنبال آن مهاجرت كازئينو بهفاز محلول عامل اصلي و ضروري براي منعقد شدن شير، ميباشد. بنابراين افزايش توليد كاپاكازئينبا تكنيك انتقال ژن يك احتمال منطقي به نظر ميرسد. در بسياري از كشورهاي آفريقايي و كشورهاي كه آب و هواي بسيار گرمي دارند و امكان استفاده از يخچال و سرد كننده براي جلوگيري از فساد شير وجود ندارد، ايجاد حيوانات تراريحت از لحاظ ژن كاپاكازئين منجر به توليد شيري مي گردد كه حداقل تا يك هفته بدون نياز به وسايل سرمايشي قابل به مصارف كودكان مي رسد. هدف ديگر در انتقال ژن تغيير لاكتوز شيرميباشد كه كمك بزرگي به امكان مصرف شير توسط بسياري از افراد است كه حساس به لاكتوز هستند و قدرت هضم لاكتوز بعد از مصرف شير يا مواد غذائي حاوي شير را ندارند. امروز با استفاده از تكنيكهاي رايج مهندسي ژنتيكي، امكان توليد دامهاي كه شيرشان حاوي مواد داروئي و واكسنهاي خوراكي مي باشد امري امكان پذير گشته است..امروزه محصولات بسياري از قبيل هورمون رشد، اينترلوكين و پادزهرهايي بوسيله مهندسي ژنتيك توليد مي گردد كه داراي اهميت اقتصادي بسياري مي باشد. البته افق جديد پيش روي دانشمندان اينست كه آنها مي كوشند تا محصولات مورد نظر را نه در ريزسازواره ها، بلكه در شير حيواناتي مانند گوسفند يا گاو توليد نمايند. در اين روش ابتدا ژن مورد نظر را تحت يك قطعه DNA كنترل كننده قرار مي دهند اين قعطه قادر است پروتئين مورد نظر را از روي ژني كه بدان متصل است بطور اختصاصي در غدد شيري گاو، گوسفند، بز و يا حيوانات ذيگر توليد نمايند. با استفاده از حيوان تراريخته در توليد اين مواد مي توان از بسياري از دستگاههاي پيچيده صرفنظر نمود زيرا كه حيوان تراريخته مانند يك بيوراكتور عمل نموده و فرآيند توليد اين پروتئين ها در غدد شيري خود به طور طبيعي كنترل مي شود و اين واقعيت سبب صرفه جويي احتمالي در مخارج توليد پروتئين مي گردد. ولي بهر حال نبايد فراموش كرد كه هزينه اوليه چنين پروژه هاي بسيار هنگفت بوده و هنوز تمامي جوانب آن و مسائل ايمني زيستي و فقدان عوارض جانبي آن هنوز در هاله اي از ابهام مي باشد.
بعضي از منابع مورد استفاده:
جوانمرد، آرش.1380. بررسي چندشكلي ژن هورمون رشد در گاوهاي سيستاني(پايان نامه).دانشكده كشاورزي. دانشگاه تهران
الياسي، قربان.1381. بررسي چند شكلي ژن بتالاكتوگلوبولين در پنج نژاد گوسفند ايران(پايان نامه). دانشكده كشاورزي. دانشگاه تبريز
