Eliminere mutasjoner - Den umulige drømmen Picture

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

[Oversatt av Ann Therese Hardy-Olufsen]

Av Dr. John Armstrong

Selv om det ikke er praktisk å eliminere alle ødeleggende mutasjoner, vil antallet rammede individer kunne bli markant færre som følge av en kombinasjon av fornuftig oppdretterpraksis og utviklingen av DNA-tester.

Hvorfor har vi mutasjoner?

Mutasjoner er forandringer i en organismes DNA som potensielt påvirker genenes opprinnelige funksjoner. De oppstår naturlig som følge av feil under replikasjonen, feil sammenparring av homologe kromosomer eller gjennom uunngåelig påvirkning av naturlig stråling (f.eks. kosmiske stråler). Mutasjoner kan forekomme hvor som helst i DNA-strengen og i hvilken som helst celle. De er bare arvelige når de forekommer i kjønnsceller (egg- og sæd-celler), men mutasjoner i DNA i andre (somatiske) celler kan føre til kreft. Selv om DNAets replikasjonsenzymer er veldig presise, og det også finnes supplerende systemer for å oppdage og rette feil, er intet system perfekt. Vi må derfor innrømme at en viss grad av mutasjon er uunngåelig. Imidlertid stiger mengden mutasjoner på grunn av stråling, inklusive ultrafiolett lys, og utsettelse for visse giftige kjemikaler. Vi kan derfor ta noen forhåndsregler for å minimere risikoen.

Det er ikke lett å bestemme mutasjonshastigheten hos hunder, men ved hjelp av indirekte beviser og ved å gå ut ifra foreliggende kjennsgjerninger fra andre raser, regner genetikere med at mutasjonshastigheten normalt er i størrelsen 1:100.000 eller mindre. Dette betyr at en ny mutasjon i et gitt gen hos et reproduserende pattedyr høyst sannsynlig ikke vil skje oftere enn 1 gang for hver 100.000 gameter (kjønnsceller). Det ser kanskje ikke ut som en stor sannsynlighet, men tenk over at de fleste pattedyr antakelig bærer 80-100.000 gener. Dette vil si at hvert individ som blir født har en stor sjanse for å bære en ny mutasjon i et gen.

Hva skjer med nye mutasjoner?

Identiske mutasjoner oppstår vanligvis ikke samtidig i det samme gen fra begge foreldrene (sannsynlighet: < 1:10 milliarder), så alle avkom vil være heterozygote. (Unntatt kjønnsbundne gener, fordi X og Y kromosomer ikke er homologe). Dominante mutasjoner kommer til uttrykk, og de som er ødeleggende blir eliminert fra populasjonen nesten med det samme. Hvis mutasjonen er fordelaktig og denne fordelen blir bemerket av enten oppdretteren eller "naturen", har mutasjonen mulighet for å overleve og dens hyppighet vil gradvis øke. Hvis en mutasjon er nøytral, altså verken god eller dårlig, vil dens overlevelse bestemmes av "genetisk drift". Nye recessive mutasjoner forblir skjulte fra utvelgelse, inntil de oppnår en hyppighet hvor noen homozygote individer begynner å dukke opp. Imidlertid forhindrer ikke dette tap av driften, hvilket ikke er avhengig av fenotype.

Drift er en konsekvens av de forskjellige, vilkårlige genetiske begivenhetene som finner sted. For eksempel, hvis man parrer en brun hund med en sort hund som bærer brunt, forventer man at halvparten av hundene blir brune og halvparten blir svarte, men man ville sikkert ikke bli overrasket om man fikk syv sorte og tre brune i et kull på ti. Et gen, som har to eller flere alleler, virker på samme måte. Forestill deg at vi kun har en sort hund (Nn), alle de andre er nn. Den hunden som er Nn kan videreføre N-allelet til ingen eller alle avkom eller til et hvilket som helst antall. Hvis den sorte hunden Nn får flere sorte valper, vil frekvensen av sort stige, forutsatt at alle i neste generasjon avler videre på samme måte. I følgende generasjoner vil frekvensen kanskje stige enda høyere, eller synke igjen.

I en stor populasjon vil frekvensen være tilbøyelig til bare å svinge en liten smule. Små populasjoner er ifølge deres natur ustabile, så hvis ikke andre faktorer spiller inn vil et allel på et eller annet tidspunkt ta over. Dette kalles "fixation". Hvor lenge dette varer avhenger av populasjonens størrelse. Hos en sjelden rase kan "fixation" lett oppnåes innenfor 25 generasjoner (~100 år).

Mange recessive mutasjoner eksisterer i få generasjoner på lave nivåer, for deretter å forsvinne igjen. Bare ytterst sjelden oppnår de et betydningsfullt nivå i populasjonen (> 1:1000). Når det kommer til en beregning av genetisk variasjon basert på gjennomsnittlig heterozygositet, er disse gener effektivt monomorfe, hvor en screening av 50 eller 100 individer av populasjonen generelt ikke avslører noen forskjeller fra flesteparten av disse loci. Når to individer viser seg å bære den samme mutasjonen, kan det lett skyldes uavhengige mutasjoner. Med mindre det er felles aner, bør sjansen for å produsere rammede avkom ikke være mer enn 1 til 1 million. [Merk, i den første studien av en "medfødt feil i metabolismen", observerte Garrod (1902) at "blant familiene til foreldre som ikke selv viser avviket, er avkommet i omtrent 60% av tilfellene et resultat av ekteskap mellom fettere og kusiner." Han antar at kun ca 3% av alle ekteskap er mellom kusiner og fettere.]

Disse vurderingene forutsetter bruk av alle individer i populasjonen, og vi vet alle hvor vanlig dette er. Hvis en spesielt populær hannhund produserer ti ganger hans "andel" av sønner og døtre, uansett hva slags skadelige allel(er) han bærer, vil han medvirke til en betydelig stigning i den etterfølgende generasjonen. På denne måten kan en ny mutasjon bli hjulpet fra å være enkeltstående til å være moderat hyppig. Så lenge vi insisterer på å la parringsvalg være en popularitetskonkurranse, risikerer vi å innføre nye problemer like raskt som det tar å utvikle tester for de gamle.

Genetisk "byrde" og grunnlegger-effekten

Den menneskelige populasjonen bærer minst 2500 skadelige mutantgener (eller mer korrekt genalleler), som forårsaker betydelige helseproblemer. For de flestes vedkommende er de jevnt fordelt i populasjonen. For hele Canis familiaris-populasjonen er situasjonen sannsynligvis den samme. Hvert individ er anslått å bære en "genetisk byrde" på mellom tre til fire "dødelige ekvivalenter", hvilket indikerer recessive alleler, som ville slå bæreren i hjel hvis de var homozygote. Så lenge de er recessive bør de ikke forårsake noen problemer.

Men tenk deg hva som ville skjedd hvis vi lager en underpopulasjon ved å velge 10 individer fra en mye større populasjon. Selv om disse individene ikke bærer på langt nær så mange uønskede skadelige alleler som eksisterer i den opprinnelige populasjonen, vil de få allelene de bærer øyeblikkelig stige fra å være sjeldne alleler (0,1% eller mindre) til minst 5% i vårt eksempel (eller mer generelt, 1/2N, hvor N er antallet av grunnleggerne).

Der tilfeldig drift har en større innvirkning på en liten populasjon, er populasjonen nødt til å vokse raskt til minst flere hundre individer for å minimere tapet av verdifulle alleler. På dette tidspunktet bør vi selektere forsiktig. Selv om det er slik at det å forbedre "typen" er et av hovedmålene i avl med stambokregistrerte hunder, vil for streng seleksjon i de første generasjonene høyne muligheten for tilfeldig tap av verdifulle gener som er tett koblet til et av de gener man selekterer fra. Dalmatinere for eksempel har alle de mangelfulle enzymer som er nødvendig for korrekt urinsyre-metabolisme. Mutantgenet viser seg å være tett koblet til et av genene for det karakteristiske flekkete mønsteret og ble sannsynligvis forårsaket av uaktsomhet da tidligere oppdrettere selekterte etter mønsteret (Nash, 1990).

Å gjenkjenne mutasjoner

Selv om rammede individer med en allel-hyppighet på 5% bare bør utgjøre omkring 0.25% av populasjonen, ville det være et godt tidspunkt å stoppe det fra å stige ytterligere. Men vil en mutasjon som oppstår med den hyppigheten bli gjenkjent som en mutasjon? Hvis vi snakker om raser med kull med en gjennomsnittsstørrelse på fire, så ser vi bare på omtrent ett kull av 100 hvor det finnes en rammet valp. Hvis ikke andre tilfeller har blitt rapportert, kan oppdretteren raskt avskrive det som "slikt som skjer iblant". I en rase med større kullstørrelse, er sjansen for to eller flere rammede valper i samme kull større, men selv i disse tilfellene kan mangel på utveksling av informasjon oppdrettere imellom og mangel på kunnskap om genetikk resultere i manglende identifisering av problemet som genetisk.

Seleksjon

Seleksjon er bare effektivt hvis vi har med enkelt gjenkjennelige fenotyper å gjøre, men uønskede mutasjoner er ikke alltid like medgjørlige. Det er et bredt spekter fra stille mutasjoner som ikke har noen bemerkningsverdig effekt på proteinkodene, til mutasjoner som det mislyktes for å lage noe funksjonelt produkt. Det er fremdeles en liten sjanse for forbedring. De, og det stille slaget er ikke noen trussel for oss. Allikevel, de som forhindrer normal funksjon, men ikke eliminerer dem fullstendig, er tilbøyelige for å presentere et betydelig problem. Et eksempel er vWD-mutasjonen hos doberman. Disse mutasjonene eliminerer 85-90% av de effektive koaguleringsfaktorene, men det lave gjenstående nivået er allikevel tilstrekkelig for å beskytte homozygot rammede individer fra overdreven blødning i de fleste tilfeller. En hund som er "heldig" nok til å unngå en større skade eller operasjon blir kanskje ikke oppdaget, og blir kanskje også avlet på. Følgelig stiger hyppigheten av det mutante allelet til litt over 50% av populasjonen (Brewer, 1999).

Dette skal ikke betraktes som en unntakelse. Mindre enn en av tre mutasjoner viser seg å være dødelige, og de andre dekker hele spekteret fra 0-100% aktivitet. Ved siden av å ha med en håndfull lett gjenkjennelige genetiske sykdommer i en rase å gjøre, er det sannsynlig at vi også har med andre defekter å gjøre som reduserer helsen, men som ikke viser noen åpenlys fenotype som kan bli brukt for å identifisere dem. Hvis vi kan mangle et gen som er bare 10-15% aktiv, hvor bra kan vi da klare oss med de som har 80 eller 90% av deres normale funksjon i behold?

Hvorfor kan dette være et problem?

I en liten populasjon fører drift uunngåelig til bestemmelse av et allel. Datasimuleringer viser at hvis vi starter med et nøytralt allel med en hyppighet på 5% i populasjonen, som ville være tilfelle hvis den opprinnelig ble båret av 1 av 10 grunnleggere, vil den bli fastsatt i 5% av tilfellene (meget overraskende!). Når helsen i en homozygot fenotype reduseres, avtar muligheten for å bli det seirende allelet. Ved en 5% reduksjon i helse, vil 3,5 - 4% stadig være fastsatt, de fleste innenfor 25 generasjoner. Ved 15% sier datamaskinen at det andre allelet nesten alltid vil vinne - hvis vårt lett skadelige allel ikke blir forsterket ved å være linket sammen med et utvalgt gen eller blir spredt av en populær hann. Den ene eller begge tilstandene er ofte brutt som ovenfor. Utover dette er det ingen garantier for at vår seleksjon vil være like nøye som datamaskinen.

Hvis hvert slikt gen reduserte helsen med 5%, og effektene er økende, kan vi lett få en populasjon med betydelig mindre kullstørrelser, forkortet levetid og større ømfintlighet for ikke-genetiske problemer. Allikevel ville vi ikke hatt noe lett gjenkjennelig gen å linke det til.

Konklusjon

Lang levetid og fruktbarhet, normalt brukt som indikatorer på "innavlsdepresjon" er redusert i hundepopulasjoner som har vært innavlet over relativt kort tid (Laikre og Ryman, 1991; Nordrum, 1994). Men den største andelen innavl ser ikke ut til å komme av at oppdrettere med hensikt parret nære slektninger[1] (selv om det absolutt finnes unntak), men på grunn av tapet av genetisk variasjon på grunn av drift og seleksjon. Tapet som følge av avgjørelser gjør hvert individ til nære slektninger, uansett hva slags avlsstrategi som blir benyttet.

Utfallet for enhver rase vil avhenge av både flaks og på rasens historie. Hva er størrelsen på den effektive populasjonen? Hvor mange grunnleggere fantes det? Over hvor lang tid før stambøkene ble stengt ble rasen skapt? Hvor intensiv var seleksjonen som definerte typen? Har det vært andre flaskehalser? Hvor sterk innflytelse har populære hanner hatt?

Hva kan vi gjøre?

  1. Vi kan styre mange av de iøynefallende genetiske sykdommene ved å støtte forskning som strever etter å lokalisere genene og utvikle direkte DNA-tester for de mutante allelene. Testresultatene bør brukes for å sikre at bærere kun blir parret med ikkebærende individer, istedenfor å utelukke bærere helt, noe som vil tynne ut genbasen enda mer.
  2. Vi kan forklare oppdrettere at mutasjoner alltid vil være tilstede, og at de ikke er indikasjoner på nederlag eller dårlig avlspraksis, og at en åpen utveksling av informasjon vil gi de største belønningene. Vi kan også vise dem måter å oppnå deres personlige mål uten å foreta beslutninger som er skadelige for deres rase.
  3. Vi kan forsøke å utdanne raseklubber omkring viktigheten i å gjøre variasjonen i genbasen større. Som hovedtaleren på den siste AKC/CFH konferansen, Dr. Malcolm Willis sa, få raser har en god idé om hva deres største genetiske problemer er, hvor mange valper det er i et gjennomsnittlig kull, eller hvor lenge deres hunder lever. Enda færre har noen idé om hvordan man skal ivareta eksisterende genetisk variasjon eller redusere den gjennomsnittlige innavlen.

Notater

[1] Basert på en undersøkelse av 3- og 5-generasjoners stamtavler på Australian Sheperd, Clumber Spaniel, standard Pudler og Malamutter.

Henvisninger

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

Garrod, A.E. (1902) The incidence of alkaptonuria: a study in chemical individuality. Lancet 2: 1616-1620. Tilgjengelig på nett: 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, Oct. 1999.
Gjengitt med tillatelse.