Eliminace mutací : nemožný sen Picture

English Chinese Czech German Danish Spain French Italian Dutch Norwegian Portuguese Swedish Taiwanese

[Přeložila Daniela Hypšová, www.nchk.estranky.cz]

Od Dr. John Armstrong

I když není praktické eliminovat všechny škodlivé mutace, výskyt postižených jedinců může být významnĕ snížen díky kombinaci inteligentní chovatelské praxe a vývoji DNA testů.

Proč máme mutace?

Mutace jsou zmĕny v DNA organismu, které potencionálnĕ postihují správné fungování genů. Dochází k nim přirozenou cestou díky chybám, chybnému párování homologních chromozomů nebo díky vystavení přírodní radiaci (např. kosmickému záření). Mutace se objevují kdekoliv v DNA a v jakékoliv buňce. Jsou dĕdičné pouze tehdy, když k nim dojde v pohlavních buňkách (vajíčko a spermie), mutace v DNA v somatických buňkách mohou vést k rakovinĕ. I když jsou replikační enzymy DNA velmi přesné a existují též dodatečné systémy pro detekci a opravu poškození, žádný systém není perfektní. Mĕli bychom si proto uvĕdomit, že určitá úroveň mutací je nevyhnutelná. Mutační stupeň se může dále zvyšovat radiací včetnĕ ultrafilaového svĕtla a vystavení různým toxickým chemikáliím. Přesto můžeme provést určitá opatření, abychom minimalizovali riziko vzniku mutací.

Mutační stupeň pro psy nemůže být stanoven snadno, ale z nepřímých záznamů a extrapolace od jednotlivých druhů se genetici domnívají, že mutační stupeň je normální při pomĕru 1: 100 000 nebo menším. Pro pohlavní reprodukci savců by to znamenalo, že nová mutace v určitém genu by se neobjevila než jednou v každé 100 000. gametĕ. To se nezdá být jako vysoká pravdĕpodobnost, ale vezmĕte v úvahu, že vĕtšina savců nese odhadem 80 - 100 000 genů. To znamená, že každý jednotlivý narozený jedinec ponese jednu novou mutaci v nĕjakém genu.

Co se dĕje s novými mutacemi?

Je nepravdĕpodobné, že se objeví simultánní genetické mutace (jsou myšleny spontánní mutace) ve stejné genové podobĕ u obou rodičů ( pravdĕpodobnost je menší jak 1 :10 bilionům) a z toho důvodu jakýkoliv nový jedinec, který nese novĕ mutovanou alelu bude heterozygotní. Výjimkou jsou pohlavnĕ vázané geny, neboť chromozomy X a Y nejsou homologní. Dominantní mutace se projeví okamžitĕ a všechny, které jsou škodlivé, budou eliminovány témĕř okamžitĕ z populace. Pokud je mutace výhodná a je rozpoznána chovatelem nebo "přírodou", může mutace přežít a její frekvence se postupnĕ zvýší. Jestliže je mutace neutrální, což znamená "ani dobrá, ani špatná" (prostĕ pouze odlišná), její přežití bude určeno "genetickým driftem". Nové recesivní mutace zůstanou skryté před selekcí do té doby, než dosáhnou frekvence, kdy se objeví u nĕjakého homozygotního jedince. Avšak toto nezabrání ztrátĕ driftu, což nezávisí na fenotypu.

Drift je následkem náhodných genetických nebo přírodních událostí. Například, pokud byste nakryli hnĕdou fenu černým psem, který nese hnĕdou, budete očekávat že 1/2 mláďat bude černá a 1/2hnĕdá, ale pravdĕpodobnĕ nebudete příliš překvapeni, jestliže dostanete 7 černých a 3 hnĕdá ve vrhu 10 jedinců. Funguje to stejnĕ pro jakýkoliv gen, který má dvĕ nebo více alel. Předpokládejme, že máme pouze jednoho černého psa (Bb) a všechna ostatní štĕňata jsou bb. Pes Bb může nebo nemusí předat alelu B jakémukoliv počtu svých potomků. Jestliže má více, jak 5 černých potomků, frekvence černých bude vrůstat za předpokladu, že všichni přispĕjí svým dílem v následující generaci. V následujících generacích se může frekvence černé zvyšovat nebo snižovat.

Ve velkých populacích má frekvence tendenci kolísat u pouze malého počtu jedinců. Avšak malé populace jsou již ze své podstaty nestabilní a jestliže nezasáhne nĕjaký jiný faktor, potom jedna alela může eventuelnĕ převzít vládu. Tomu se říká fixace. Jak dlouho toto trvá, záleží na velikosti populace. U málopočetných plemen se může fixace objevit bĕhem 25-ti generací (tj. přibližnĕ za 100 let).

Mnoho recesivních mutací setrvává pár generací na nízké úrovni před tím, než se znovu ztratí. Pouze velmi zřídka dosáhnou významné úrovnĕ v populaci (více jak 1 v 1000).V období odhadování diverzity založené na průmĕrné heterozygotnosti, tyto geny jsou účinnĕ monomorfní, protože by při kontrole u 50 nebo 100 jedinců z populace obecnĕ nebyla objevena jakékoliv diference pro vĕtšinu tĕchto lokusů. Když se zdá, že dva jedinci nesou stejnou mutaci, může to být díky nezávislým mutacím. Avšak pokud je zde společný předek, šance na narození postiženého potomka by už nebyla 1 ku milionu. Pozoruhodné je, že v první studii "vrozené chyby metabolismu", Garrod (1902) pozoroval, že "v rodinách rodičů, kteří sami nevykazují anomálii je pomĕr odpovídající 60% že se jedná o potomky ze sňatků prvních bratranců a sestřenic". Garod odhaduje, že pouze přibližnĕ 3% všech sňatků je uzavřeno mezi prvními bratranci a sestřenicemi.

Tento odhad předpokládá rovné použití jedinců v populaci a všichni víme, jak je to bĕžné. Jestliže obzvláštĕ oblíbený samec bude 10 x spářen a bude předávat své "sdílení" synů a dcer, případné škodlivé alely, které nese, dostanou začnou podporu v dalších generacích. Nová mutace může být tímto způsobem prosazována od nĕkterého z takových potomků úspĕšného otce ke střední frekvenci. Pokud budeme trvat na výbĕru partnera podle jeho úspĕšnosti v soutĕži, riskujeme zavlečení nových problémů tak rychle, nĕž stačíme vyvinout testy na staré problémy.

Genetický "náklad" a efekt zakladatele

Lidská populace nese nejménĕ 2500 škodlivých mutovaných genů (nebo, lépe alel genů), které způsobují významné zdravotní problémy. Z nejvĕtší části jsou tyto alely docela pravidelnĕ rozdĕleny v populaci. Pro celkovou psí populaci je situace podobná. Předpokládá se, že každý jedinec nese "genetický náklad" tří nebo čtyř "letálních ekvivalentů", které znamenají recesivní alely, schopné zabít nositele, kdyby byl homozygotní. Pokud jsou recesivní, nemĕly by působit problémy.

Avšak uvažme, co se stane, jestliže vytvoříme subpopulaci výbĕrem 10 jedinců z mnohem vĕtší populace. Ačkoliv tito jedinci neponesou obrovskou vĕtšinu nechtĕných škodlivých recesivních alel nacházejících se u širší populace, to málo, co nesou, bude prosazováno bezprostřednĕ řídce se vyskytujícími alelami v celé populaci (0,1% nebo ménĕ) a to nejménĕ na 5% v našem případu (nebo všeobecnĕ 1/2N, kde N je počet zakladatelů).

Protože náhodný drift (tah) má vĕtší účinek na malou populaci, populace potřebuje růst rychle, nejménĕ k nĕkolika stům chovných jedinců, aby se minimalizovala ztráta cenných alel. Bĕhem této doby bychom mĕli selektovat velmi obezřetnĕ. Zatímco je pravda, že fixace "typu" je jedním z primárních cílů chovatelů čistokrevných psů, příliš přísná selekce bĕhem časných generací zvyšuje možnost náhodné ztráty cenného genu blízce spojeného s jedním z genů, který selektujeme. Všichni dalmatini například, postrádají enzym, který je zapotřebí pro správný metabolismus kyseliny močové. Zdá se, že mutantní gen je velice blízko spojen s jednním z genů, které charakterizují skvrnitou kresbu a byl pravdĕpodobnĕ neúmyslnĕ fixován, když dávní chovatelé selektovali pro tuto kresbu (Nash, 1990).

Rozpoznání mutací

Ačkoliv při alelové frekvenci 5% může postižený jedinec činit pouze 0,25% populace, byl by to dobrý čas k zastavení další zvyšování (této frekvence) v budoucnosti. Avšak dokážeme mutaci vyskytující se v této frekvenci rozpoznat? Hovoříme-li o plemeni, které má průmĕrný počet mláďat ve vrhu 4, potom se díváme na 1 vrh ze 100 s jedním postiženým mládĕtem. Kdyby nebyla jiná hlášení, chovatel by to mohl prostĕ připsat tomu "že se to stává". U plemene s vĕtšími vrhy, je možnost dvou nebo více postižených mláďat objevujících se ve stejném vrhu vĕtší, ale dokonce i v tĕchto případech, nedostatek výmĕny informací mezi chovateli a nedostatek vzdĕlání v genetice může ústit v selhání identifikovat tento problém jako genetický.

Selekce

Selekce je efektivní pouze tehdy, pokud dokážeme rozpoznat fenotypy. Avšak nežádoucí fenotypy nám vždy nevycházejí vstříc. Je zde plno kategorií možností od tichých mutací, které nemají postřehnutelný efekt na kódování proteinů, k mutacím, které zmaří vytvoření jakéhokoliv funkčního proteinu. Zde je dokonce malá pravdĕpodobnost zlepšení se. Tyto mutace a tzv. "tichá třída" pro nás nepředstavují hrozbou. Avšak ty, které brání normální funkci, ale nevyřadí ji úplnĕ jsou pravdĕpodobnĕ současným nejvĕtším problémem. Jedním příkladem je v vWD mutace u dobrmanů. Tato mutace eliminuje 85-90% aktivního srážecího faktoru, ale tato úroveň je stále dostatečná, aby chránila homozygotní jedince postižené od nadmĕrného krvácení v mnoha situacích. Pes, který má "dost štĕstí" aby se vyhnul vĕtšímu zranĕní nebo chirurgickému zákroku nemusí být vůbec rozpoznán a dokonce může být použit v chovu. Proto se frekvence této mutované alely zvýšila v populaci dobrmanů přes 50% (Brewer, 1999).

Toto by nemĕlo být považováno za výjimku. Ménĕ, než jedna ze tří mutací se jeví být plnĕ letální, ostatní pokrývají spektrum od 0 - 100 % aktivity. Kromĕ práce s hrstkou snadno rozpoznatelných genetických chorob v plemeni, musíme pracovat s dalšími, které snižují zdatnost ale představují nejasnĕ zřetelné fenotypy, které by mohly být identifikovány. Jestliže můžeme ztratit gen, který je funkční pouze z 10 - 15%, jak dobře pravdĕpodobnĕ zacházíme s tĕmi, které si ponechávají 80 - 90 % své funkce?

Proč to může být problém?

V malých populacích drift nevyhnutelnĕ vede k fixaci pro jednu alelu. Počítačová simulace ukazuje, že jestliže začneme s neutrální alelou s frekvencí 5% v populaci, jak by to bylo, kdyby byla původnĕ nesena 1 z 10 zakladatelů, bude fixována v 5% času (překvapivé, překvapivé). S tím, jak poklesne fitness homozygotního fenotypu, poklesne i jeho šance stát se vítĕznou alelou. V 5% snížení fitness, 3,5-4% stále budou fixovány, vĕtšina uvnitř 25 generací. Při 15% počítač říká, že témĕř vždy zvítĕzí jiná alela - pokud se ménĕ škodlivé alele nedostane podpory díky tomu, že by byla spojena s genem, který selektujeme a který se šíří od populárního samce. Avšak jedna nebo obĕ tyto podmínky jsou obvykle narušeny, jak už bylo diskutováno výše. Kromĕ toho zde není žádná garance, že naše selekce bude rozlišovat tak přesnĕ, jako počítač.

Když každý takový gen sníží svou fitness o pouhých 5% a přidá se další efekt, můžeme snadno čelit populaci s významnĕ menšími velikostmi vrhů, zkrácenou délkou života a vetší náchylností k ne-genetickým problémů. A nesnadno bychom identifikovali gen, kterému to připsat za vinu.

Závĕr

Dlouhovĕkost a plodnost, bĕžnĕ považované za indikátory "inbrední deprese" jsou redukovány v psí populaci, která byla přešlechtĕna v relativnĕ krátkém časovém období (Laikre a Ryman, 1991,Nordrum, 1994). Avšak vĕtšina inbreedingu u populace psů není způsobena chovateli, kteří úmyslnĕ páří blízké příbuzné[1] (ačkoliv existují určité výjimky), ale ztrátou diversity díky driftu a selekci. Výsledná ztráta výbĕru dĕlá každého jedince blízce příbuzným, bez ohledu na to jaká chovatelská strategie se používá.

Výsledek pro jakékoliv plemeno bude záviset jak na štĕstí, tak na historii plemen. Jaká je efektivní velikost populace? Kolik zakladatelů tam bylo? Po jak dlouhé období před uzavřením plemenných knih bylo plemeno zušlechťováno? Jak intenzivní byla selekce použitá k přesnĕ vymezenému typu? Existovala nĕjaká stagnace? Jak silný vliv mĕl oblíbený samec?

Co můžeme dĕlat?

  1. Můžeme kontrolovat mnoho evidentních genetických chorob podporou výzkumu zamĕřenému na lokaci tĕchto genů a vývoj přímých DNA testů pro mutované alely. Výsledek testu by mĕl být použit, abychom se ujistili, že nositelé jsou pářeni pouze s "čistými" jedinci (nenesoucími mutaci), než k hromadné eliminaci nositelů, která by dále ožebračila genpool.
  2. Můžeme vysvĕtlovat chovatelům, že mutace tu budou vždy a že to není projev selhání nebo špatné chovatelské praxe a že otevřená výmĕna informací přinese nejvĕtší odmĕnu. Můžeme jim také ukázat cest k dosažení jejich osobního cíle bez provádĕní výbĕru, který by byl škodlivý pro plemeno.
  3. Můžeme se pokusit vzdĕlávat chovatelské kluby v důležitosti maximalizace diversity (rozmanitosti) v genpoolu. Jak na problém poukázal ústřední (klíčový) řečník na nedávné konferenci AKC/CHF, Dr. Malcolm Willis: jen málo chovatelů má dobrou představu o tom, jaké jsou jejich hlavní genetické problémy, kolik štĕňat je v průmĕrném vrhu nebo jak dlouho žije jejich pes. Ještĕ ménĕ jich stále nemá žádnou představu o tom, jak udržet existující diversitu nebo snížit průmĕrný inbreeding.

Poznámky

[1] Založeno na studii 3 a 5-ti generačních rodokmenů Australských pasteveckých psů, Clumber španĕlů, středních pudlů a malamutů.

Odkazy

Brewer, G.M. (1999) DNA Studies in Doberman von Willebrand's Disease. Available online at: http://www.VetGen.com/vwdrpt.html.

Garrod, A.E. (1902) The incidence of alkaptonuria: a study in chemical individuality. Lancet 2: 1616-1620. Available online at: http://www.esp.org/foundations/genetics/classical/ag-02.pdf.

Laikre, L. and N. Ryman (1991) Inbreeding depression in a captive wolf (Canis lupus) population. Conservation Biology 5: 33-40.

Nash, J. (1990) "The Backcross Project" in The Dalmatian Quarterly, Fall 1990, Hoflin Publishing Ltd.

Nordrum, NMV (1994) Effect of inbreeding on reproductive performance in blue fox (Alopex lagopus). Acta Agriculturae Scandinavica, Sect. A, Animal Sci. 44: 214-221.


©John B. Armstrong, University of Ottawa, říjen 1999.
Přetištěno se svolením.