background image

 

 

 Selective DNA pooling 

approach for mapping QTL 

genes in dairy cattle

     Chandra S. Pareek

background image

 

 

Main sub-headings

 Definition
 
 Principle
 
 Experimental design
 
  Experimental  design  to  locate  the  QTL 

region  through  selective  DNA  pooling  in 

dairy cattle.

  Microsatellite genotyping
 
 Statistical methods for accurate estimation 

of gene frequency from pooled samples.

   Problems  in  determination  of  gene 

frequency.

  Problems in interpretating pooling results 

by visual inspection.

   Application  of  Selective  DNA  pooling  in 

farm animals.

  Advantages of Selective DNA pooling.
 
 Success of selective DNA pooling in dairy 

cattle.

background image

 

 

Definitio

n

 

•  
“Selective  DNA  pooling”  is  an  advanced 

methodology 

for 

linkage 

mapping 

of 

quantitative,  binary  and  complex  traits  in 
farm animals.

•  
 In human, this methodology is termed as DNA 

pooling  where  it  serves  as  mapping  of 
complex disease traits.

•  
It  is  defined  as  densitometric  genotyping  of 

physically 

pooled 

samples 

from 

phenotypically extreme individuals.

•  
The DNA pooling is performed by taking equal 

aliquots of DNA from the pooled individuals. 

background image

 

 

Principle

•      The principle is based on densitometric estimates of 

marker allele frequency from the pooled phenotypically 

extreme individuals.

•  

    

     In  this  regards,  the  marker  of  choice  is: 

STR  or 

STR  or 

microsatellite markers.

microsatellite markers.

•  
      The  microsatellite  allele  linked  to  any  QTL  gene  can  be 

identified by any shift or deviation of allele from the pools.

•  
      The  QTL  linked  allele,  and  then  further  tested  for  its 

feasibility by statistical analysis.

•  
     The power of statistics is relied on the accurate estimates 

of gene frequency from the pooled samples.

•  
      Several  methods  have  been  described  for  accurate 

estimation of gene frequencies (Daniels et al. 1998, Barcellos 

et al. 1998, Lipkin et al. 1998, and Collins et al. 2000).

•  

background image

 

 

Figure A and B: showing allelic patterns  
of a linked  marker. 

Here figure A is displaying a shift of 
marker allelein affected individuals pool.   

Figure C and D: showing allelic 
patterns  of a unlinked  marker.

Here both figures are  not displaying 
any shift or deviation of the alleles.  

Affected pool

Unaffected pool

Unaffected pool

Affected pool

background image

 

 

Experimental design

 

   A  well-defined  experimental  design  is  an  essential 

prerequisite to perform the selective DNA pooling.

•  
  The experimental design should include the following 

conditions.

• 1.  Identification  of  resource  families  having  extreme 

phenotypic values for the given analysed trait.

• 2. Systemic  selection  of  highly  polymorphic  STR 

markers from the analysed genome.

•  

 

Experimental  design  to  locate  the 

QTL region through selective DNA 

pooling

  Daughter design: In case of cattle, by utilizing multiple 

half-sib families with multiple STR markers.

•  
   Granddaughter design: In case of cattle, poultry and 

swine,  by  utilizing  F2  full-sib  daughters  including  sire 

and grand sire.

background image

 

 

Microsatellite 

genotyping

 

The  most  commonly  used  touch 

down  protocol  of  Don  et  al.  1991, 

can  be  used  for  typing  of 

microsatellte  markers,  followed  by 

visualisation  of  electrophoresis 

results  in  any  DNA  sequencing 

machine  (Perkin  Elmer  ABI-Prism, 

Pharmacia ALF, and LICOR genetic 

analyser).

•  
•  

background image

 

 

Statistical methods for accurate 

estimation of gene frequency from 

pooled samples

 The following three methods have been 

described:

   By measuring the relative intensity of 

shadow bands (RI):
Method proposed by Lipkin et al. 1998
.

  

By  measuring  the  Allelic  Image  Pattern 

(AIP) from the pools:
Method proposed by Daniels et al. 1998
.

 
  By measuring the Total Allelic content 

(TAC) from the pools:
Method proposed by Collins et al. 2000.

background image

 

 

frst Method: Lipkin et al. 1998

Measuring relative intensity of 

shadow bands (RI)

By  giving  the  densitometric  values  of  main  and 
shadow  bands,  the  relative  intensity  of  a  given 
shadow  band  for  a  given  allele  can  be  calculated 
as:

RI

n.i

 = D

n.i

 / D

n

Where,

n = is the number of repeats in the native genomic 
tract of the allele A

n

I = is the order of the shadow band
RI

n.i

  =  is  the  relative  intensity  of  the  ith  shadow 

band derived from the genomic tract of A

n

 

D

n

  =  is  the  densitometric  intensity  of  the  main 

band derived from the genomic tract of A

n

D

n.i

  =is  the  densitometric  intensity  of  the  ith 

shadow band derived from the genomic tract of A

n

background image

 

 

2nd method: Daniels et al.. 1998

Measuring Allelic Image Patterns 

(AIP) from the pools

• The principle of this method is based on the 

analysis of microsatellite allele image 
patterns (AIP) generated from the DNA pools.

• The AIP statistic is calculated from the 

differences in the area between two allele 
image pattern expressed as a fraction of total 
shared and non-shared area.

AIP = Dif / (Dif + Com)

The AIPs from the pools and X

values from 

individual genotyping were compared. The 
results demonstrated a high correlation 
between AIPs and X

values.

background image

 

 

Figure showing overlaid AIPsof two different pools amplified with the 

microsatellitemarker. Area ”Dif” and ”Com” are the non-shared and 

common areas betweenthe two AIPs.

background image

 

 

3rd method: Collins et al.. 2000

Measuring Total Allelic 

content (TAC) from the pools

• This is a modifed method of Daniels et 

al.. 1998.

• The principle of this method is based on 

simple measurement of total allele 

differences by comparing the two pools.

• The pool comparison is done by 

comparing the relative peak height 

differences between electrophoregrams 

for each allele of a microsatellite.

background image

 

 

FigureA: Showing peak image profile from individual genotyping 
illustrating sutter profile and amplitude variation.
Figure B: showing peak image profiles from pooled genotyping. 

background image

 

 

Problems in determination of 

gene frequency

Feasibility and reliability of selective 

DNA  pooling  is  depend  upon  the 

accurate  estimates  of  the  gene 

frequency  from  pooled  samples, 

which  is  mostly  confounded  with 

Sutter  banding  and  Differential 

amplifcation.

•  
• 1. Sutter banding
• 2. Differential amplifcation.

background image

 

 

Problems in interpretating 

pooling results by visual 

inspection

Visual inspection of numerous STR 
genotyping of pooled samples can 
be performed by visual eye balling 
of the peak image fles.
There are 2 problems encountered 
during visual inspection of the 
peak image fles.

True negative peaks 

False positive peaks

background image

 

 

Figure1: Showing shifting of 
microsatelliteallele in affected group. 

This figure represents the True result 
with correct peak profile image.

Figure3: Showing no shifting of 
microsatellitealleles but there is one 
linked marker allele in this locus.

This figure represents  a good example of 
True Negative peak profile image.

Shifted allele

control

unaffected

False .Shifted allele

Figure2: Showing shifting of 
microsatelliteallele in affected group.

This figure represents a good example 
of False positive peak profile image.

Example of correct result

Example of false positive result

Example of true negative result

background image

 

 

Application of selective DNA pooling 

in farm animals

In rapid genome scanning for the 

identification of unknown gene or linked 

gene fragment.

  
In rapid estimation of STR gene frequency. 

More recently in estimation of SNP 

frequencies as well.

 
In identification of complex gene fragment 

within the genome through linkage analysis 

of STR marker linked to that gene fragment.

In QTL mapping of the identified gene or gene 

fragment.

To detect genes with small effect, for e.g., 

complex disease traits in human.

 
 

background image

 

 

Figure representing detection of linked allele by comparing affected and 
unaffected DNA pools.
In this figure: Marker D5S393 is showing the linked allele to the disease 
trait whereas, marker D5S410 showing no allele linked to the disease trait.

background image

 

 

Advantages of selective DNA 

pooling

 
To detect any linkage between marker and QTL: 
Multiple families with large numbers of daughters are 

required to get reasonable statistical power.

 
This  requirement  leads  to  genotyping  of  hundreds  of 

thousands individuals with high cost of experiment.

 
By  means  of  selective  DNA  pooling,  the  cost  of 

numerous genotyping can be substantially reduced.

 
Thus  selective  DNA  pooling  is  an  ideal  and  potential 

approach for analysing multiple large families with 
multiple microsatellite markers.

 
 

background image

 

 

    Selective  DNA  pooling  reduces  not  only  the 

genotype  cost  by  many  folds,  but  also 
minimizes the valuable experimental time.

 

For example: individual v/s Pooled genotyping

In  case  of  individual  G:  2000  markers  x  2000 

individuals = 4 x 10

 individuals

In  case  of  Pooled  G:  The  genotyping  becomes 

2000 x 2 = 4000.

 Success of selective DNA pooling in 

dairy cattle

 

  Mapping of QTL genes for milk protein 

percentage in Israeli HF cattle (Lipkin et al. 
1998).

   Detection of loci that affect quantitative 

traits like milk production in New Zealand 
HF and Jersey cattle population (Spelman et 
al. 1998).

background image

 

 

THANKING YOU.

background image

 

 

background image

 

 


Document Outline