Γενετιστής βοοειδών βρίσκει μεταλλαγμένο γονίδιο που απειλεί τα μοσχάρια Holstein

του Jeff Mulhollem, Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια

Τα περισσότερα μοσχάρια στέκονται όρθια κατά τη γέννηση ή λίγο μετά, όπως το υγιές μοσχάρι σε αυτή τη φωτογραφία. Η κατάσταση που είναι πλέον γνωστή ως οπισθοδρόμηση μοσχαριών έχει ως αποτέλεσμα ζώα πολύ αδύναμα για να σταθούν όρθια κατά τη γέννηση ή λίγο μετά, και τα περισσότερα δεν επιβίωσαν μετά την ηλικία των έξι εβδομάδων. Ο Chad Dechow, αναπληρωτής καθηγητής γενετικής γαλακτοπαραγωγών βοοειδών του Penn State, διεξήγαγε μια γονιδιωματική συσχέτιση με τη χρήση χιλιάδων δεικτών DNA και ανάλυση γενεαλογικών δέντρων για να προσδιορίσει τη γενετική προέλευση της οπισθοδρόμησης.

Το φθινόπωρο του 2020, όταν ο Chad Dechow έλαβε ένα τηλεφώνημα από κτηνιάτρους στη Νέα Υόρκη που περιέγραφαν μια παράξενη κατάσταση που επηρέαζε μοσχάρια Holstein σε δύο φάρμες υπό τη φροντίδα τους, δεν ήταν εξοικειωμένος με την κατάσταση που έμεινε γνωστή ως recumbency των μοσχαριών.

Τα ζώα ήταν αδύναμα και δεν μπορούσαν να σταθούν όρθια κατά τη γέννησή τους ή λίγο αργότερα, ενώ τα περισσότερα δεν επέζησαν πέραν των έξι εβδομάδων. Οι κτηνίατροι δεν εντόπισαν νευρολογικές, μολυσματικές ή μεταβολικές ανωμαλίες στα πολύ νεαρά ζώα. Ήταν ένα μυστήριο.

"Δεν μπορούσαν να το καταλάβουν - είχαν κάνει νεκροψία μοσχαριών που πέθαναν και δεν μπορούσαν να βρουν τίποτα κακό", δήλωσε ο Dechow, αναπληρωτής καθηγητής γενετικής γαλακτοπαραγωγών βοοειδών στο Penn State. "Επικοινώνησαν μαζί μου επειδή είχαν διαβάσει ένα άρθρο σε ένα περιοδικό του λαϊκού τύπου που είχα γράψει για μια άλλη γενετική υπολειπόμενη κατάσταση".

Οι κτηνίατροι έστειλαν δείγματα ιστών από δύο νεκροτομές μοσχαριών στο εργαστήριο του Dechow στο Κολέγιο Γεωπονικών Επιστημών και άρχισε η έρευνα. Αμέσως μετά, ο Dechow έμαθε ότι ένα κοπάδι Χολστάιν στη Φλόριντα που χρησιμοποιεί εξωσωματική γονιμοποίηση για τα γενετικά ελίτ, δηλαδή υψηλής παραγωγικότητας, ζώα του είχε αντιμετωπίσει παρόμοιο πρόβλημα. Ένα αξιοσημείωτο ζευγάρωμα είχε οδηγήσει σε αρκετά μοσχάρια που δεν μπορούσαν να σταθούν, και οι υπεύθυνοι της αγέλης έστειλαν στον Dechow δείγματα ιστού από αυτά.

"Στη συνέχεια βρήκα μια αγέλη στην Πενσυλβάνια που χρησιμοποιεί επίσης εξωσωματική γονιμοποίηση και η οποία είχε παρόμοιο πρόβλημα σε ορισμένα από τα μοσχάρια της", δήλωσε ο Dechow. "Έτσι, μεταξύ των δύο κοπαδιών στη Νέα Υόρκη, του κοπαδιού στη Φλόριντα και του κοπαδιού στην Πενσυλβάνια, μπορέσαμε να συγκεντρώσουμε έναν πληθυσμό αρκετά μεγάλο ώστε να αρχίσουμε να εντοπίζουμε τη μετάλλαξη. Πραγματοποιήσαμε μια συσχέτιση σε επίπεδο γονιδιώματος χρησιμοποιώντας χιλιάδες δείκτες DNA και ανάλυση γενεαλογικών δέντρων για να καθορίσουμε αν η γενετική προέλευση της οπισθοδρόμησης ήταν εύλογη".

Για να εντοπίσει την περιοχή του DNA που πυροδοτούσε την πάθηση, ο Dechow χρειάστηκε όχι μόνο να βάλει γονότυπο σε μοσχάρια με οπισθοδρόμηση αλλά και σε μια ομάδα μη προσβεβλημένων συγγενών, ώστε να προσδιοριστεί η περιοχή του γονιδιώματος που είναι διαφορετική μεταξύ των δύο ομάδων. Η έρευνα υποβοηθήθηκε από την προσεκτική τήρηση γενετικών αρχείων που διατηρούν οι εκτροφείς Χολστάιν διεθνώς.

Στην περίπτωση του πρόσφατα ανακαλυφθέντος "απλοτύπου" -που είναι μια φυσική ομαδοποίηση γονιδιωματικών παραλλαγών κατά μήκος ενός χρωμοσώματος- που έχει ως αποτέλεσμα την οπισθοκοιλιακή θέση του μοσχαριού, 18 μοσχάρια που παρουσίασαν αδυναμία να σταθούν όρθια κατά τη νεογνική περίοδο γονότυπησαν και συγκρίθηκαν με 26 μη επηρεασμένα μοσχάρια από τις ίδιες οικογενειακές ομάδες. Ο Dechow και οι συνεργάτες του διαπίστωσαν ότι τα 18 προσβεβλημένα μοσχάρια έφεραν δύο αντίγραφα μιας περιοχής στο χρωμόσωμα 16.

"Αυτό που διέφερε σε αυτή την κατάσταση σε σύγκριση με τις περισσότερες άλλες γνωστές γενετικές ανωμαλίες των βοοειδών είναι ότι η μετάλλαξη δεν εγγυάται ότι το μοσχάρι θα προσβληθεί", δήλωσε. "Ορισμένα ζώα φέρουν δύο αντίγραφα της μετάλλαξης και είναι φυσιολογικά. Η πλειονότητα, ωστόσο, δεν είναι τόσο τυχερά".

Ο Dechow επινόησε ένα απλό γενετικό τεστ για τον εντοπισμό των Holsteins που φέρουν τη μετάλλαξη. Στη συνέχεια, ο ίδιος και το Penn State υπέβαλαν αίτηση για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας και έχουν συνεργαστεί μέχρι σήμερα με τρεις εταιρείες για την εμπορική αξιοποίηση της τεχνολογίας. Οι αγρότες αρκεί να ταχυδρομήσουν στο εργαστήριο μερικές τούφες τρίχας, αίματος ή ιστού για να μάθουν αν το ζώο από το οποίο προήλθε είναι υγιές, φορέας της μετάλλαξης ή πάσχει από οπισθοδρόμηση.  Πηγή: STgenetics
Οι ερευνητές εντόπισαν τον πλησιέστερο πρόγονο σε έναν κοινό πατέρα που γεννήθηκε το 2008 και ήταν παρών τόσο στην πατρική όσο και στη μητρική γενεαλογία όλων των προσβεβλημένων μοσχαριών. Αυτός ο πατέρας είχε έναν σημαίνοντα γιο που γεννήθηκε το 2010 και είναι σήμερα ένας από τους πιο συγγενείς ταύρους της φυλής Χολστάιν. Μεταγενέστερες έρευνες εντόπισαν έναν ταύρο που γεννήθηκε το 1984 ως έναν από τους πρώτους φορείς και ίσως τον πρόγονο της μετάλλαξης.

Ο Dechow και οι συνεργάτες του δημοσίευσαν τα ευρήματα τον Νοέμβριο του 2022 στην επιθεώρηση JDS Communications.

Αφού προσδιόρισε τη γονιδιωματική περιοχή που είναι διαφορετική, έπρεπε να εντοπίσει τη συγκεκριμένη μετάλλαξη μέσα σε αυτή την περιοχή για να αναπτύξει ένα τεστ DNA για τον εντοπισμό άλλων ζώων που είναι φορείς της μετάλλαξης. Ο Dechow προχώρησε στην αλληλουχία τριών ζώων με τη βοήθεια μιας εταιρείας γενετικής βοοειδών-ABS Global για να εντοπίσει μια μετάλλαξη σε ένα γονίδιο που σχετίζεται με κανάλια ασβεστίου στους μύες. Οι μεταλλάξεις σε αυτό το γονίδιο είναι γνωστό ότι επηρεάζουν τη λειτουργία των σκελετικών μυών σε άλλα είδη, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων.

Ο Dechow επινόησε ένα απλό γενετικό τεστ για τον εντοπισμό των Holsteins που φέρουν τη μετάλλαξη. Στη συνέχεια, ο ίδιος και το Penn State υπέβαλαν αίτηση για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας και έχουν συνεργαστεί μέχρι σήμερα με τρεις εταιρείες για την εμπορική αξιοποίηση της τεχνολογίας. Οι αγρότες αρκεί να ταχυδρομήσουν στο εργαστήριο μερικές τούφες τρίχας, αίματος ή ιστού για να μάθουν αν το ζώο από το οποίο προήλθε είναι υγιές, φορέας της μετάλλαξης ή πάσχει από οπισθοδρόμηση.

Για τον Dechow, η επίλυση ενός μυστηρίου μέσω της έρευνας, η ανάπτυξη ενός καινοτόμου τεστ και στη συνέχεια η συνεργασία με τον ιδιωτικό τομέα για την εμπορική αξιοποίηση της τεχνολογίας ήταν μια διαδικασία που τον ικανοποίησε.

Ο DeChow αναμένει ότι η γαλακτοβιομηχανία θα αρχίσει να χρησιμοποιεί το τεστ για την επιθετική επιλογή κατά των ταύρων που φέρουν το μεταλλαγμένο γονίδιο.

"Στην πραγματικότητα, αυτό έχει ήδη αρχίσει να συμβαίνει", δήλωσε. "Ως αποτέλεσμα, σε μερικά χρόνια η συχνότητα της πάθησης θα είναι πραγματικά χαμηλή. Μακροπρόθεσμα, η χαμηλότερη συχνότητα θα έχει ως αποτέλεσμα το τεστ να μην χρειάζεται τόσο πολύ, αλλά τα ζώα που αποτελούν μέρος της βιομηχανίας τεχνητής σπερματέγχυσης θα εξακολουθήσουν να ελέγχονται για να διασφαλιστεί ότι δεν χάνονται κρυφοί φορείς".