Eliminare le mutazioni: il sogno impossibile Picture

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[Tradotto da Sonia Campa e Salvo Rinzivillo, Morgan's Place cattery]

A cura del Dott. John Armstrong

Sebbene l'eliminazione di tutte le mutazioni deleterie non sia praticabile, l'incidenza di individui affetti può essere notevolmente ridotta combinando pratiche di allevamento intelligenti e lo sviluppo di test sul DNA.

Perché esistono le mutazioni?

Le mutazioni sono delle modifiche nel DNA di un organismo che, potenzialmente, possono incidere sul corretto funzionamento dei geni. Esse avvengono naturalmente a causa di errori di replicazione, disaccoppiamento di cromosomi omologhi o attraverso l'esposizione inevitabile a radiazioni naturali (ad esempio, raggi cosmici). Le mutazioni possono avvenire dappertutto nel DNA di ogni cellula. Sono ereditabili solo quando avvengono nelle cellule germinali (uova e sperma) mentre le mutazioni nel DNA di altre cellule (somatiche) possono portare al cancro. Sebbene gli enzimi di replicazione del DNA siano molto accurati ed esistano meccanismi supplementari per diagnosticare e correggere i danni, il sistema non è perfetto. Dovremmo, quindi, riconoscere che un certo livello di mutazioni è inevitabile. Ad ogni modo, la quantità di mutazioni cresce con le radiazioni, inclusi i raggi ultravioletti e l'esposizione a certe sostanze chimiche tossiche. Possiamo, quindi, prendere alcune precauzioni per minimizzare il rischio.

La frequenza delle mutazioni nei cani non può essere determinata prontamente, ma da dimostrazioni pratiche ed estrapolazioni da altre specie, i genetisti credono che essa sia normalmente dell'ordine di 1 ogni 100,000 o meno. Per un mammifero da riproduzione, ciò significa che una nuova mutazione in un particolare gene occorrerà non più spesso di una volta ogni 100,000 gameti. Non sembrerebbe un'altissima probabilità ma considerate che il numero di geni a carico di molti mammiferi è stato stimato in 80-100,000. Ciò suggerisce che ogni individuo nato ha una buona chance di portare una nuova mutazione in qualche gene.

Cosa accade alle nuove mutazioni?

E' improbabile che mutazioni identiche occorrano simultaneamente nello stesso gene in entrambi i genitori (probabilità inferiore a 1 su 10 bilioni) e, dunque, ogni progenie sarà eterozigote (ad eccezione dei geni sex-linked, dato che X e Y sono cromosomi non omologhi). Le mutazioni dominanti si esprimeranno e tutte quelle deleterie saranno eliminate dalla popolazione piuttosto in fretta. Se la mutazione è vantaggiosa e questo vantaggio viene notato dall'allevatore o dalla "natura", la mutazione potrebbe sopravvivere e la sua frequenza potrebbe gradualmente aumentare. Se una mutazione è neutrale, ossia né buona né cattiva (diversa), la sua sopravvivenza sarà determinata dalla "deriva genetica". Le nuove mutazioni recessive rimarranno nascoste al processo di selezione finché raggiungeranno una frequenza tale da permettere la comparizione di individui omozigoti. In ogni modo, questo non impedirà il calo di deriva, che non dipende dal fenotipo.

La deriva è una conseguenza della natura casuale degli eventi genetici. Per esempio, se fate accoppiare un cane black che porta il brown con una femmina brown, vi dovreste aspettare ½ di progenie black e ½ brown ma, probabilmente, non sarebbe troppo sorprendente se otteneste 7 black e 3 brown in una cucciolata di 10. Funziona così per ogni gene che abbia due o più alleli. Supponete di avere solo un cane black (Bb) e tutti gli altri bb. L'unico cane Bb potrebbe trasmettere l'allele B a tutti o a nessuno dei suoi discendenti, o solo a qualcuno. Se ha più di 5 discendenti black, la frequenza dei black salirà così che tutti contribuiscano allo stesso modo nella generazione dopo. Nelle generazioni successive, la frequenza potrebbe fluttuare verso l'alto o verso il basso.

In una popolazione ampia, la frequenza tenderà a fluttuare solo di poco. Comunque, le popolazioni piccole sono inerentemente instabili e se non intervengono altri fattori, alla fine un allele prenderà il sopravvento. Questa si chiama fissazione. Quando tempo ci voglia dipende dalla dimensione della popolazione. A velocità di allevamento, la fissazione può avvenire facilmente in 25 generazioni (circa 100 anni).

Molte mutazioni recessive persistono per poche generazioni a frequenze basse prima di essere nuovamente perdute. Solo raramente raggiungono un livello significativo nella popolazione (> 1 su 1000). In termini di stime sulla diversità genetica basata sull'eterozigosi media, questi geni sono effettivamente monomorfici: infatti, generalmente, uno screening di 50-100 individui su una stessa popolazione, fallirebbe nel rivelare una qualche differenza tra la maggior parte di questi loci. Quando due individui dimostrano di portare la stessa mutazione, ciò potrebbe essere causato da mutazioni indipendenti. Comunque, a meno di un antenato comune, la probabilità di produrre progenie affette non dovrebbe essere più di 1 su un milione [Nota, nel suo primo studio sugli errori del metabolismo, Garrod (1902) osservò che "tra le famiglie di genitori che non mostrano l'anomalia, una proporzione corrispondente al 60% è rappresentata da discendenti di accoppiamenti tra primi cugini". Egli stima che solo circa il 3% di tutti gli accoppiamenti riguardano primi cugini].

Queste stime assumono un impiego equivalente di individui nella popolazione, e tutti noi sappiamo quanto questo sia comune. Se uno stallone particolarmente popolare si riproduce 10 volte, la sua "condivisione" di figli e figlie, qualunque siano le mutazioni portate, porterà un sostanziale incremento nella generazione successiva. In questo modo, una nuova mutazione potrebbe essere promossa da una frequenza una tantum ad una moderata. Insistendo su scelte di accoppiamento in contesti di popolarità, rischiamo costantemente di introdurre nuovi problemi e di farlo tanto più velocemente quanto più riusciamo a sviluppare test per quelli vecchi.

"Carico" genetico e l'effetto del fondatore

La popolazione umana porta almeno 2500 geni mutanti deleteri (o, più correttamente, alleli di geni) che causano significativi problemi di salute. Per la maggior parte, essi sono equamente distribuiti nella popolazione. Per l'intera popolazione del Canis familiaris, la situazione è probabilmente abbastanza simile. Si stima che ogni individuo porti un "carico genetico" di tre o quattro "equivalenti letali", il che implica alleli recessivi che ucciderebbero i portatori se fossero omozigoti. Finché sono recessivi, non dovrebbero causare problemi.

Tuttavia, considerate cosa accadrebbe se formassimo una sottopopolazione scegliendo10 individui da una popolazione più ampia. Sebbene questi individui non porteranno la maggior parte degli alleli recessivi indesiderati presenti nella popolazione totale, quei pochi che porteranno verranno istantaneamente promossi da alleli rari (0,1% o meno) ad almeno un 5% nel nostro esempio (o, più generalmente, 1/2N, dove N è il numero dei fondatori).

Poiché la deriva casuale ha un grande impatto su una piccola popolazione, per non minimizzare la perdita di alleli validi, la popolazione necessita di crescere rapidamente, fino almeno ad un centinaio di individui da allevamento. Durante questo tempo, si dovrebbe selezionare con cautela. Mentre è vero che fissare il "tipo" è uno dei primi obiettivi degli allevatori di cani di razza, una selezione troppo rigorosa durante le prime generazioni incrementa la possibilità di perdite accidentali di un gene valido strettamente linkato ad uno dei geni sotto selezione. I dalmati, per esempio, sono tutti deficitari di un enzima necessario per un metabolismo corretto. Il gene mutato sembra essere strettamente linkato ad uno dei geni per il carattere del disegno spotted e fu probabilmente e inavvertitamente fissato quando i primi allevatori selezionarono il disegno (Nash, 1990).

Riconoscere una mutazione

Sebbene ad una frequenza allelica del 5%, gli individui affetti sarebbero circa il 25% della popolazione, questa soglia sarebbe un ottimo punto in cui frenare un'ulteriore crescita. Tuttavia, una mutazione a questa frequenza, verrebbe riconosciuta come tale? Se parliamo di razze con cucciolate medie di quattro piccoli, allora stiamo focalizzando solo 1 cucciolata su 200 con un cucciolo affetto. Se non si sono verificati altri casi, l'allevatore potrebbe semplicemente segnalarlo una casualità. In una razza con cucciolate più numerose, la probabilità che due o più cuccioli affetti ricorrano nella stessa cucciolata è più alta ma, anche in questi casi, il mancato scambio di informazioni tra allevatori e la mancanza di formazione in genetica potrebbero portare a non individuare il problema come genetico.

La selezione

La selezione è efficace solo se abbiamo a che fare con fenotipi facilmente riconoscibili. Tuttavia, le mutazioni indesiderate non sono sempre altrettanto visibili. Esiste un ampio spettro di possibilità che va da mutazioni silenti, le quali non hanno effetti notevoli nella codifica delle proteine, a mutazioni che falliscono nello svolgere una qualsiasi funzione. C'è anche una piccola possibilità di miglioramento. Queste mutazioni e la classe delle silenti non sono pericolose per noi. Tuttavia, quelle che prevengono lo svolgimento delle normali funzioni ma non le annullano completamente, è probabile che generino sostanziali problemi. Un esempio è dato dalla mutazione vWD nei Doberman. Questa mutazione elimina l'85-90% dei fattori di coagulazione ma un livello così basso è ancora sufficiente, nella maggior parte delle situazioni, a proteggere da eccessivo sanguinamento gli individui omozigoti. Un cane abbastanza fortunato da evitare incidenti o interventi chirurgici importanti, potrebbe non essere riconosciuto come portatore ed essere accoppiato. Di conseguenza, la frequenza dell'allele mutato si alza appena sopra il 50% della popolazione (Brewer, 1999).

Ciò non dovrebbe essere considerato un'eccezione. Su tre mutazioni, meno di una appare pienamente letale e le altre ricoprono uno spettro d'azione che va dallo 0 al 100%. Oltre ad aver a che fare con malattie genetiche facili da riconoscere in una razza, probabilmente abbiamo a che fare anche con percentuali di altre mutazioni che riducono la fitness genetica ma presentano un fenotipo, in grado di identificarle, affatto ovvio. Se possiamo trascurare un gene che è solo al 10-15% della sua funzionalità, con quale probabilità abbiamo a che fare con geni che trattengono l'80% o 90% della loro normale funzione?

Perché questo rappresenterebbe un problema?

In una piccola popolazione, la deriva porta inevitabilmente alla fissione di un allele. Le simulazioni fatte al computer dimostrano che, partendo con un allele al 5% di frequenza in una popolazione (come nel caso in cui fosse originariamente portato da 1 fondatore su 10), esso verrebbe fissato per il 5% delle volte (sorpresa, sorpresa!). A man mano che la fitness del fenotipo omozigote decresce, le sue possibilità di diventare l'allele "vincente" declina. Ad un tasso di riduzione della fitness del 5%, il 3.5-4% sarà già fissato, per di più in 25 generazioni. Ad un tasso del 15%, il calcolo al computer sostiene che gli altri alleli vinceranno praticamente sempre - se il nostro allele deleterio non riceve la spinta dovuta al linkaggio con un gene sotto selezione o la diffusione da parte di uno stallone popolare. Tuttavia, una o entrambe di queste condizioni, normalmente, vengono violate, come già spiegato sopra. Inoltre, non c'è garanzia che la nostra selezione discriminerà tanto finemente quanto il computer.

Se ognuno di questi geni riducesse la fitness del solo 5% e i relativi effetti fossero cumulabili, potremmo facilmente trattare una popolazione con dimensione delle cucciolate sensibilmente più piccola, accorciare la durata della vita e aumentare la sensibilità ai problemi non genetici. Non otterremmo comunque una maggiore facilità nel determinare geni per noi notevoli.

Conclusioni

Longevità e fertilità, comunemente considerati indicatori dell'indebolimento del sistema immunitario dovuto all'inbreeding, risultano ridotte nelle popolazioni canine ibridate periodi relativamente brevi (Laikre e Ryman, 1991; Nordrum, 1994). Tuttavia, la maggior parte delle ibridazioni nelle popolazioni di cani domestici non sembrano essere dovute a incroci parentali voluti dagli allevatori [1](sebbene esistano certamente delle eccezioni), quanto alla perdita di diversità dovuta alla deriva e alla selezione. La relativa mancanza di alternative, rende ogni individuo un parente stretto, indipendentemente dalle strategie di allevamento impiegate.

Il risultato per ogni razza dipenderà dalla fortuna e dalla storia della razza. Qual è la dimensione della popolazione effettiva? Quanti fondatori c'erano? In quanto tempo, prima della chiusura dei libri delle origini, è stata definita la razza? Quanto intensiva è stata la selezione per il fissaggio del tipo? Ci sono stati colli di bottiglia? Quanto forte è stata l'influenza degli stalloni più popolari?

Cosa possiamo fare?

  1. Possiamo controllare molte delle malattie genetiche note supportando la ricerca destinata a localizzare i geni e a sviluppare test sul DNA per gli alleli mutati. I risultati dei test dovrebbero essere impiegati per accertarsi che i portatori vengano accoppiati solo con individui non portatori, piuttosto che per promuovere l'eliminazione dei portatori, che impoverirebbe ulteriormente il pool genetico.
  2. Possiamo spiegare agli allevatori che le mutazioni ci saranno sempre, e non sono un indice di fallimento o di cattiva metodologia di allevamento, e che uno scambio aperto di informazioni produrrà un gran beneficio. Possiamo anche mostrare loro dei modo per ottenere i loro obiettivi personali senza fare scelte nocive per la loro razza.
  3. Possiamo tentare di educare i club di razza circa l'importanza del massimizzare la diversità del pool genetico. Come sottolineato recentemente dal Dr. Malcolm Willis alla conferenza AKC/CHF, poche razze hanno un'idea complessiva dei loro maggiori problemi genetici, quanti cuccioli ci sono in una cucciolata media e quanto sopravvivono i loro cani. Molti meno hanno un'idea di come mantenere la diversità o ridurre il tasso medio di inbreeding.

Notes

[1] Basato sullo studio di pedegree a 3 e 5 generazioni di Shepherds australiani, Clumber Spaniels, Standard Poodles e Alaskan Malamutes.

Riferimenti

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, Universita' di Ottawa, Ottobre 1999.
Ristampato coi permessi.