Przez tysiąclecia hodowcy psów celowo kojarzyli krewnych jako sposób na utrwalenie cech w linii, uznając, że istnieje zmniejszenie kondycji u potomstwa bliskich krewnych. Jednak to z pewnością nie zawsze było celowe, jak można zobaczyć w tym poście na wargę Hapsburg. Sto lat temu, Sewall Wright opracował współczynnik inbredu (COI) jako sposób pomiaru inbredu, statystykę popularną do dziś. Wygodnie, dzięki testowi DNA psa Embark, automatycznie podajemy COI dla każdego psa, więc zbadajmy, co on oznacza!
Chodowla wsobna 101
Podobnie jak ludzie, psy mają tendencję do bycia 99,8-99,9% genetycznie podobnymi do innych przedstawicieli swojego gatunku. Nawet inne gatunki mogą wykazywać podobieństwa – psy i ludzie są w 64% podobni na poziomie par zasad. Ale zmienność genetyczna jest przyprawą życia, a te 0,1-0,2% genomu, które się różnią, koduje niezliczoną ilość wariacji. Niektóre z nich, takie jak kształt ciała, kolor sierści czy zachowanie, zostały przez nas celowo utrwalone. Niestety, inne mniej pożądane warianty przyznają potencjalnie szkodliwe skutki dla zdrowia, długowieczności i sukces reprodukcyjny.
Harmful mutacje pochodzą w trzech głównych odmian: recesywne, dominujące i addytywne. Te szkodliwe dominujące i addytywne mutacje są szybko usuwane w dużych populacjach outbred. Dzieje się tak, ponieważ osobnik niosący te mutacje ma obniżoną kondycję. Mutacje recesywne, z drugiej strony, są inne. Szkodliwa mutacja recesywna może „złamać” gen. Ma to niewielkie lub żadne konsekwencje, jeśli osobnik posiada sprawną kopię genu od swojego drugiego rodzica. Jednak może to mieć katastrofalne skutki, gdy osobnik odziedziczy dwie uszkodzone kopie. Osobniki pochodzące z outbredów prawie nigdy nie dziedziczą dwóch uszkodzonych kopii. Dlatego też selekcja naturalna lub hodowcy nie mogą skutecznie wybierać przeciwko nim, chyba że istnieje genetyczny test na mutację. Na przykład, jeśli mutacja występuje z częstotliwością 1% w populacji outbred, każdy dany pies ma 0,01% szansy na odziedziczenie dwóch kopii mutacji – jest to oczywiście bardzo mała szansa.
Problemy z chowem wsobnym
Jako takie, każda populacja psów – lub w kontekście psów czystej krwi, każda rasa psów – zawiera obfitość rzadkich recesywnych mutacji, które były albo obecne w osobniku założycielu, albo powstały spontanicznie w populacji psów jakiś czas później. Te rzadkie mutacje prawie nigdy nie są problematyczne dla osobników outbred, ponieważ prawie zawsze dziedziczą co najmniej jedną działającą kopię; jednakże, mogą one powodować prawdziwe problemy dla osobników inbred – zwierząt, które powstają z kojarzenia blisko spokrewnionych rodziców.
Rozważmy, co dzieje się z psami w kojarzeniu matka-syn. Matka przekazuje każdemu szczeniakowi 50% swojego genomu, więc każda rzadka (<1% częstotliwości) recesywna mutacja przenoszona przez matkę ma 50% szans na przekazanie jej synowi. Potomstwo z kojarzenia matka-syn miałoby zatem 25% szans na odziedziczenie dwóch złych kopii mutacji, które zostały przekazane synowi. Jest to ponad 100-krotne ryzyko w porównaniu z psem outbredowym!
Hodowla wsobna u psów ma realne konsekwencje. Badania przeprowadzone w laboratorium Boyko wykazały, że 10% wzrost inbredu może prowadzić do 6% zmniejszenia rozmiarów dorosłego psa (słaby wzrost) i skrócenia długości życia o sześć do dziesięciu miesięcy. Zmniejszona wielkość miotu i płodność są również prawdopodobne. Ryzyko to wynika zarówno z klasycznego chowu wsobnego jak i z dryfu w małych populacjach, gdzie każdy osobnik jest niezbyt odległym krewnym. Ocena tych zagrożeń zależy od dokładnego określenia prawdopodobieństwa, że mutacje będą identyczne przez pochodzenie lub dziedziczone od tego samego przodka.
Obliczanie COI
Istnieją trzy sposoby ilościowego określenia współczynnika chowu wsobnego (COI): (1) Używając rodowodu, (2) Próbując małego zestawu markerów polimorficznych, lub (3) Testując panel markerów obejmujący cały genom. Jak łatwo się tego dowiedzieć?
Pedigree-based COI
Oszacowania te są oparte na pokrewieństwie osobników w rodowodzie. 25% to wartość z kojarzenia matka-syn lub pełne rodzeństwo; 12,5% to wartość z kojarzenia dziadek-wnuk lub pół-rodzeństwo; i 6,25% to wartość z kojarzenia pierwszy kuzyn. Wartości te kumulują się. Logicznie rzecz biorąc, wszystkie osobniki mają COI pomiędzy 0% (całkowicie outbred) a 100% (całkowicie inbred). Tak więc trzy pokolenia kojarzeń pełnego rodzeństwa doprowadziłyby do COI równego 50%.
Idealnie, rodowód jest kompletny aż do założenia rasy. Jednak w rzeczywistości większość rodowodów sięga tylko od 5 do 10 pokoleń wstecz. Większość kalkulatorów COI zakłada, że pierwotni przodkowie w rodowodzie nie są spokrewnieni. Dlatego też COI obliczony na podstawie 5-pokoleniowego rodowodu może być znacznie niższy niż obliczony na podstawie 10-pokoleniowego rodowodu. Jest to prawdopodobnie znacznie niższy współczynnik COI niż prawdziwy COI, gdyby znany był pełny rodowód aż do założycieli rasy. Z tego powodu nie ma jednej odpowiedzi na pytanie, jaki jest „dobry” COI; wszystko zależy od tego, jak kompletny jest rodowód. Ponadto, ze względu na zasadę segregacji, dwa osobniki z identycznym oczekiwanym COI z rodowodu mogą mieć bardzo różny poziom inbredu. Zależy to od tego, które osobniki dziedziczą które segmenty chromosomalne.
Inbreeding oparty na markerach
Oszacowania te wykorzystują dziesiątki lub setki szeroko rozmieszczonych markerów do oszacowania inbredu. Każdy marker może być heterozygotyczny lub homozygotyczny (identyczny według stanu). Ogólna heterozygotyczność locus (HL) panelu jest ogólnie skorelowana z chowem wsobnym. Jednakże wartości bezwzględne HL zależą od wybranych markerów. Ponieważ rzadki marker będący homozygotyczny jest silniejszym dowodem na chów wsobny (identyczność przez pochodzenie) niż wspólny marker będący homozygotyczny, różne wagi mogą być stosowane do obliczania statystyk takich jak wewnętrzne pokrewieństwo (IR). Waha się ona od -1 do 1. Niemniej jednak większa część genomu nie jest powiązana z żadnym markerem. Dlatego estymatory nie wykrywają większości ścieżek inbredu. W rezultacie sprawia to, że estymatory oparte na markerach słabo nadają się do rozróżniania osobników o podobnych COI (różniących się mniej niż 5-10%).
Genome-wide COI
Ta estymacja jest złotym standardem pomiaru inbredu. Wymaga co najmniej dziesiątków tysięcy markerów rozmieszczonych w całym genomie. To właśnie robimy w Embark. Przy tej rozdzielczości, rzeczywiste ścieżki inbredu mogą być bezpośrednio obserwowane jako ścieżki homozygotycznych markerów. Powyżej pewnego rozmiaru, ścieżki te prawie zawsze reprezentują identyczność przez pochodzenie, a zatem możemy łatwo obliczyć współczynnik inbredu (proporcję genomu, która jest identyczna przez decentrację). W Embark, używamy około 1 miliona bazeparów, znanych jako 1 centymorgan, jako minimalny rozmiar każdego śladu. Wynika to z faktu, że interesuje nas chów wsobny aż do momentu powstania rasy; pamiętajmy, że dla większości ras psów domowych jest to zazwyczaj 50-100 pokoleń temu.
Obliczanie COI bezpośrednio przy użyciu danych z całego genomu ma kilka zalet. Nie wymaga rodowodu. Nie zależy również od częstotliwości markerów lub wymaga skomplikowanych statystyk w celu skorygowania rzadkich/częstych markerów. I wreszcie, jest bezpośrednio porównywalna pomiędzy badaniami, ponieważ nie zależy od specyfiki użytych markerów lub badanych populacji. Rozważmy dwie sytuacje przedstawione na poniższym rysunku: Podczas gdy dwa rodowody mają ten sam obliczony rodowodowy COI (wstawka), obliczenia dla całego genomu dają dwa drastycznie różne COI.
Trakty chowu wsobnego są widoczne przy użyciu danych dla całego genomu, jak widać na poniższym rysunku. Estymatory oparte na rodowodach i markerach często pomijają te szlaki. Porównanie osobnika do rozkładu COI dla danej rasy pozwala stwierdzić, czy pies jest bardziej czy mniej wsobny od oczekiwanego dla danej rasy. Można wizualizować szlaki inbredu, aby zobaczyć, gdzie w genomie się znajdują.
Dokładne określenie szlaków inbredu jest kluczowe dla identyfikacji recesywnych mutacji chorobowych poprzez mapowanie homozygotyczności. Jest ono również niezbędne do dokładniejszego zrozumienia ryzyka związanego z chowem wsobnym w obrębie i pomiędzy rasami. Mimo, że w przypadku większości ras psów czystej krwi nie da się uniknąć pewnego poziomu inbredu, a ryzyko inbredu nie powinno być jedynym czynnikiem branym pod uwagę przy doborze partnerów, zmniejszenie obciążenia inbredu w populacji jest cennym celem. W naszym następnym blogu omówimy, w jaki sposób Embark pomaga hodowcom w ocenie potencjalnych par hodowlanych. Omówimy również, w jaki sposób może to przyczynić się do długoterminowego zdrowia populacji hodowlanej.
Aby dowiedzieć się, jaki jest COI Twojego psa, wykonaj test DNA psa firmy Embark, a jednocześnie zdobądź ważne informacje na temat rasy i zdrowia.
Jest to pierwsza część serii blogów na temat chowu wsobnego. Autorami są dr Adam Boyko, dyrektor naukowy firmy Embark oraz dr Aaron Sams, pracownik naukowy.