Per millenni, gli allevatori di cani hanno intenzionalmente accoppiato parenti come un modo per fissare tratti in una stirpe, riconoscendo che c’è una riduzione della fitness nella prole di parenti stretti. Tuttavia, questo non è stato certamente sempre intenzionale, come si può vedere da questo post sul labbro asburgico. Un secolo fa, Sewall Wright ideò il coefficiente di inbreeding (COI) come un modo per misurare l’inbreeding, una statistica ancora popolare oggi. Convenientemente, con il test del DNA del cane di Embark, riportiamo automaticamente il COI per ogni cane, quindi esploriamo cosa significa!
Inbreeding 101
Come gli umani, i cani tendono ad essere geneticamente simili al 99,8-99,9% agli altri membri della loro specie. Anche altre specie possono mostrare somiglianze – cani ed esseri umani sono simili al 64% a livello di coppia di base. Ma la variazione genetica è il sale della vita, e lo 0,1-0,2% del genoma che differisce codifica una miriade di variazioni. Alcune di queste sono state perpetuate intenzionalmente, come la forma del corpo, il colore del pelo o il comportamento. Purtroppo, altre varianti meno desiderabili conferiscono effetti potenzialmente dannosi sulla salute, la longevità e il successo riproduttivo.
Le mutazioni dannose si presentano in tre varietà principali: recessive, dominanti e additive. Queste mutazioni dannose dominanti e additive sono rapidamente eliminate nelle grandi popolazioni di outbred. Questo accade perché l’individuo che porta queste mutazioni ha una fitness ridotta. Le mutazioni recessive, d’altra parte, sono diverse. Una mutazione recessiva dannosa potrebbe “rompere” un gene. Questo ha poca o nessuna conseguenza se un individuo ha una copia funzionante del gene dal suo altro genitore. Tuttavia, questo può avere conseguenze disastrose quando un individuo eredita due copie rotte. Gli individui allevati non ereditano quasi mai due copie rotte. Pertanto, la selezione naturale o gli allevatori non possono selezionare efficacemente contro di loro a meno che non ci sia un test genetico per la mutazione. Per esempio, se una mutazione ha una frequenza dell’1% in una popolazione di outbred, qualsiasi cane ha lo 0,01% di possibilità di ereditare due copie della mutazione – chiaramente una possibilità molto piccola.
Problemi di consanguineità
Come tale, ogni popolazione di cani – o nel contesto dei cani di razza pura, ogni razza di cani – contiene un’abbondanza di rare mutazioni recessive che erano presenti in un individuo fondatore o sono sorte spontaneamente nella popolazione di cani qualche tempo dopo. Queste rare mutazioni non sono quasi mai problematiche per gli individui di razza perché quasi sempre ereditano almeno una copia funzionante; tuttavia, possono causare problemi reali per gli individui inbred – animali che nascono dall’accoppiamento di genitori strettamente imparentati.
Consideriamo cosa succede con i cani in un accoppiamento madre-figlio. Una madre passa il 50% del suo genoma ad ogni cucciolo, quindi ogni rara (<1% di frequenza) mutazione recessiva portata dalla madre ha il 50% di possibilità di essere trasmessa ad un figlio. La prole di un accoppiamento madre-figlio avrebbe quindi una probabilità del 25% di ereditare due copie cattive delle mutazioni che sono state trasmesse al figlio. Questo è un rischio maggiore di 100 volte rispetto a un cane di razza!
L’inbreeding nei cani ha conseguenze reali. La ricerca del Boyko Lab ha dimostrato che un aumento del 10% dell’inbreeding può portare a una riduzione del 6% della taglia adulta (scarsa crescita) e a una riduzione della durata della vita da sei a dieci mesi. Sono probabili anche una riduzione delle dimensioni della cucciolata e della fertilità. Questi rischi si verificano sia dall’inbreeding classico che dalla deriva in piccole popolazioni dove ogni individuo è un parente non così lontano. La valutazione di questi rischi dipende dalla quantificazione accurata della probabilità che le mutazioni siano identiche per discendenza, o ereditate dallo stesso antenato.
Calcolo del COI
Ci sono tre modi per quantificare il coefficiente di inbreeding (COI): (1) Usando un pedigree, (2) Provando un piccolo set di marcatori polimorfici, o (3) Testando un pannello di marcatori su tutto il genoma. Come si fa a scoprirlo facilmente?
COI basato sul pedigree
Queste stime sono basate sulla parentela degli individui in un pedigree. Il 25% è il valore di un accoppiamento madre-figlio o full-sibling; il 12,5% è il valore di un accoppiamento nonno-nipote o half-sibling; e il 6,25% è il valore di un accoppiamento tra cugini di primo grado. Questi valori si accumulano. Logicamente, tutti gli individui hanno COI compresi tra 0% (completamente outbred) e 100% (completamente inbred). Quindi tre generazioni di accoppiamenti tra consanguinei porterebbero ad un COI del 50%.
Idealmente, il pedigree è completo fino alla fondazione della razza. Tuttavia, in realtà, la maggior parte dei pedigree va indietro solo di 5 o 10 generazioni. La maggior parte dei calcolatori COI presuppone che gli antenati originali nel pedigree non siano correlati. Pertanto, un COI calcolato da un pedigree di 5 generazioni potrebbe essere molto più basso di quello calcolato da un pedigree di 10 generazioni. Questo è probabilmente molto più basso del vero COI se fosse noto il pedigree completo fino ai fondatori della razza. Per questa ragione, non c’è una risposta univoca a ciò che è un “buon” COI; tutto dipende da quanto è completo il pedigree. Inoltre, a causa del principio di segregazione, due individui con identici COI attesi da un pedigree possono avere livelli molto diversi di inbreeding. Questo dipende da quali individui ereditano quali segmenti cromosomici.
Inbreeding basato su marcatori
Queste stime utilizzano decine o centinaia di marcatori ampiamente distanziati per stimare l’inbreeding. Ogni marcatore può essere eterozigote o omozigote (identico per stato). L’eterozigosi complessiva del locus (HL) del pannello è generalmente correlata all’inbreeding. Tuttavia, i valori assoluti di HL dipendono dai marcatori scelti. Poiché un marcatore raro omozigote è una prova più forte di inbreeding (identità per discendenza) di un marcatore comune omozigote, si possono usare diverse ponderazioni per calcolare statistiche come la parentela interna (IR). Questo varia da -1 a 1. Tuttavia, la maggior parte del genoma non è legata a nessun marcatore. Pertanto, gli stimatori non rilevano la maggior parte dei tratti di inbreeding. Di conseguenza, questo rende gli stimatori basati sui marcatori poco adatti a differenziare tra individui con COI simili (meno del 5-10% di differenza).
Genome-wide COI
Questa stima è il gold standard per misurare l’inbreeding. Richiede almeno decine di migliaia di marcatori sparsi sul genoma. Questo è ciò che facciamo qui a Embark. Con questa risoluzione, i tratti di inbreeding effettivi possono essere osservati direttamente come tracce di marcatori omozigoti. Al di sopra di una certa dimensione, questi percorsi rappresentano quasi sempre l’identità per discendenza, e quindi possiamo calcolare facilmente il coefficiente di inbreeding (la proporzione del genoma che è identica per decenza). In Embark, usiamo circa 1 milione di paia di basi, noto come 1 centimorgan, come dimensione minima di ogni traccia. Questo perché siamo interessati all’inbreeding fino alla fondazione della razza; ricordate, per la maggior parte delle razze di cani domestici, questo avviene di solito 50-100 generazioni fa.
Calcolare COI direttamente usando i dati del genoma ha diversi vantaggi. Non richiede un pedigree. Inoltre non dipende dalle frequenze dei marcatori o richiede statistiche complicate per correggere i marcatori rari/comuni. E infine, è direttamente comparabile tra gli studi perché non dipende dalle specifiche dei marcatori utilizzati o dalle popolazioni studiate. Considerate le due situazioni nella figura qui sotto: Mentre i due pedigree hanno lo stesso COI calcolato sul pedigree (riquadro), il calcolo a livello di genoma dà due COI drasticamente diversi.
I tratti di consanguineità sono evidenti utilizzando i dati a livello di genoma, come si può vedere nella figura sottostante. Gli stimatori basati sui pedigree e sui marcatori spesso non tengono conto di questi tratti. Confrontando un individuo con la distribuzione COI per la razza, è possibile sapere se un cane è più o meno consanguineo del previsto per la sua razza. È possibile visualizzare i tratti di inbreeding per vedere dove si trovano nel genoma.
La determinazione accurata dei tratti di inbreeding è fondamentale per identificare le mutazioni delle malattie recessive attraverso la mappatura dell’omozigosi. È anche per comprendere più precisamente i rischi di inbreeding all’interno e tra le razze. Anche se un certo livello di inbreeding non può essere evitato per la maggior parte delle razze pure di cani, e il rischio di inbreeding non dovrebbe essere l’unica considerazione quando si selezionano i compagni, ridurre il carico di inbreeding in una popolazione è un obiettivo importante. Nel nostro prossimo blog, parleremo di come Embark aiuta gli allevatori a valutare le potenziali coppie da riproduzione. Parleremo anche di come questo può contribuire alla salute a lungo termine della popolazione riproduttiva.
Per scoprire il COI del tuo cane, fai il test del DNA del cane di Embark e impara anche importanti informazioni sulla razza e sulla salute.
Questa è la prima puntata di una serie di blog sull’inbreeding. Scritto da Adam Boyko, PhD, Chief Science Officer, e Aaron Sams, PhD, Research Scientist di Embark.