Воспроизводство крупного рогатого скота

В экспериментах по клонированию млекопитающих потеря эпигенетического контроля импринтированных генов привела к низкому уровню успешных клонирований и рождению животных с проблемами со здоровьем.⁵⁷ Дефекты в матерински импринтируемых генах будут передаваться в неактивном состоянии от самок к их потомству, тогда как фенотипически нормальные самцы будут передавать эти мутации своему потомству, как если бы они были гетерозиготными по доминантной мутации. Мутация в Peg3 была связана со смертью плода на позднем сроке и мертворождением как минимум у 42,6% потомков одного финского айрширского быка (YN51). Мутация, если она унаследована от отца, является полулетальной для его потомства с наблюдаемой смертностью 85%. Выживание 15%, по-видимому, связано с неполным "молчанием" унаследованных по материнской линии аллелей MIMT1, что является обычным явлением для импринтированных локусов.⁵⁸ Кроссбридинг с голштинскими телками и коровами не влиял на выживаемость плодов, что соответствовало импринтинговой модели наследования. Выжившие самки с делецией должны передавать мутацию до 50% своего потомства без какого-либо влияния на гибель плода, а бычки, унаследовавшие эту мутацию от этих матерей, могут возобновить проблему смертности.⁵⁹ Хотя биологическая роль MIMT1 неизвестна, «естественные» и экспериментально индуцированные (у мышей) выбивания Peg3 указывают на его важный регуляторный механизм, влияющий на позднее внутриутробное развитие. Кроме того, это наследственное заболевание крупного рогатого скота подчеркивает важность дефектов, вызывающих мертворождение и аборт, а также потенциально радикальные последствия мутаций в импринтируемых генах.

Нейропатическая гидроцефалия

Нейропатическая гидроцефалия («водянка головы») является летальным аутосомно-рецессивным генетическим дефектом крупного рогатого скота породы ангус. Телята с гидроцефалией были представлены тогда же, когда и AM телята. Эти телята были похожи по описанию и родословной на телят, описанных доктором Денхольмом в Австралии.

Пораженные телята рождаются на сроке близкому к отелу и весят 10–20 кг при рождении. Голова заметно увеличена (рис. 66.4). Кости черепа деформированы и выглядят как свободно плавающие костные пластинки, которые распадаются после вскрытия головы.

Череп заполнен жидкостью, и в нем не видно никаких различимых тканей мозга. Позвоночный канал также расширен, и никаких видимых тканей позвоночника не обнаруживается.⁶⁰ Из-за гидроцефалического увеличения черепа дистоция почти неизбежна. Доставка плода через влагалище обычно может быть достигнута путем надрезания мозгового пузыря куполообразного черепа для слива жидкости. Перед тем, как начать вытягивание плода может потребоваться удаление костей черепа из спавшегося пузыря вручную.

Генетическая мутация приводит к нарушению функции белка, участвующего в развитии и поддержании центральной нервной системы, и приводит к нейропатической гидроцефалии.⁶⁰ Было обнаружено, что около 10% быков-производителей, задействованных в ИО и представляющих обширный пласт зарегистрированной ангусской генетики, являются носителями этого синдрома.⁶¹ Учитывая зарегистрированное количество телят, частота распространения мутации должна быть выше ожидаемой. Данный феномен можно объяснить относительно высоким процентом прерывания беременности (50–70%) в эмбриональный и/или плодный период. Это согласуется с тем, что известно о мутациях в этом гене у других видов (то есть полное нарушение этого гена у мышей приводит к 100% гибели плода до середины беременности).⁶¹

Остеопетроз

Остеопетроз («мраморная кость») - это летальный аутосомнорецессивный генетический дефект, ранее выявленный у людей и животных. Породы крупного рогатого скота, которые, как известно, поражаются, - это черный и красный ангус, герефорд, симментальская и голштинская породы. Последний раз дефект был зарегистрирован у породы красный ангус.⁶² Телята с остеопетрозом рождаются на 10–30 дней раньше срока. У них обычно присутствуют аномалии головы, такие как брахигнатия нижней челюсти, ретинированные моляры (нарушение прорезывания) и выступающий язык. Длинные кости короче нормальных, а полости костного мозга заполнены нерезорбированной костью (первичная спонгиоза), но при этом они очень хрупкие и могут легко сломаться.⁶²

Заболевание вызвано делецией гена SLC4A2, необходимого для ремоделирования кости в период развития. SLC4A2 кодирует анионообменный белок (мембранный транспортный белок) , необходимый для правильной функции остеокластов. Утрата функции SLC4A2, по-видимому, вызывает преждевременную гибель клеток и приводит к подщелачиванию цитоплазмы остеокластов, что, в свою очередь, может нарушить подкисление лакун резорбции. Гистологическое исследование пораженных тканей выявляет редкие, морфологически аномальные остеокласты с признаками апоптоза.⁶³ Генетические мутации, вызывающие остеопетроз у пород красный ангус и черный ангус, не совпадают. Генетическое тестирование доступно через AgriGenomics, Pfizer, MMI Genomics и Igenity. Однако, тест на остеопетроз предназначен только для выявления мутации у породы красный ангус.

Синдром раздутого теленка

Вспышка летальной полиорганной дисплазии развития, известной как синдром раздутого теленка (PCS), недавно была зарегистрирована у романьольского скота в Италии.⁶⁴ Пораженные телята обычно рождаются мертворожденными и имеют черепнолицевые деформации, увеличенный наполненный жидкостью живот и фиброз печени (рис. 66.5).^64,65 Анализ родословной показывает, что все случаи PCS восходят к некогда популярному производителю Romagnola, родившемуся в 1969 году.⁶⁵

(a)

(b)
(d) (e)
(c)

Рисунок 66.5 Фенотип синдрома раздутого теленка у крупного рогатого скота романьольской породы. Обратите внимание на укороченную морду и вздутый живот со присутствием большого количества жидкости в брюшной полости (а) и, в некоторых случаях, выступающий язык и волчью пасть (b), укороченный и уплощенный висцеральный (лицевой) череп (с), скопление темно-желтоватой мутной жидкости в брюшной полости (d), а также неровную поверхность печени и наличие кисты печени с красноватым жидким содержимым (e). Взято из Flisikowski K, Venhoranta H, Nowacka-Woszuk J и др. Новая мутация в матерински импринтированном домене PEG3 приводит к утрате экспрессии MIMT1 и вызывает аборты и мертворождения у крупного рогатого скота ( Bos taurus ). PLoS ONE 2010;5:e15116.

PCS вызывается мутацией (Г → A) в лизин (K)-специфическом гене деметилазы 2B (KDM2B).⁶⁵ KDM2B кодирует гистон H3 лизин 36 диметил-специфичную деметилазу, которая может иметь решающее значение для регуляции транскрипции во время эмбрионального развития (эпигенетическая метка) в органах эктодермального (например, закрытие нервной трубки)⁶⁶ , энтодермального и мезодермального происхождения, таких как кости и печень.⁶⁵ Тест на основе ДНК для обнаружения носителей PCS был принят Итальянской ассоциацией романьольской породы. Частота носительства составляла 32% среди 466 здоровых, непораженных особей итальянского романьольского скота, не связанных со случаями PCS на уровне предков. Эту вспышку PCS, скорее всего, можно отнести к селективным методам разведения, включающим широкое использование конкретного высокоселекционированного производителя, что привело к увеличению близкородственных/семейных скрещиваний.

Легочная гипоплазия с анасаркой

Легочная гипоплазия с анасаркой (PHA) - это летальное аутосомнорецессивное заболевание, вызванное единственной миссенс-мутацией (точечная мутация, в результате которой измененный кодон начинает кодировать другую аминокислоту) , характеризующееся, прежде всего, дистоцией, глубокой анасаркой (отек подкожной клетчатки) , смертью теленка и нередко смертью или болезнью коровы.^67,68 Первоначально телят с PHA выявляли среди Мэн-Анжу, шортгорнского скота или их кроссов (помесей); но случаи также зарегистрированы у скота пород австралийский декстер, герефорд и опоясанного скота галловейской породы (имеют широкую белую полосу поперек живота) .^3,67,68

Скрещивание двух носителей PHA теоретически приведет к поражению 25% потомков. Но, по-видимому, высокий процент прерывания беременности присутствует на сроке примерно от 90 до 200 дней гестации. В случаях, когда плоды PHA доживают до доношенного срока, они неизменно приводят к дистоции. Похоже, что телята с PHA, которые, как считается, были «зачаты в день ИО», обычно являются преждевременно рожденными телятами, зачатыми естественным путем после ИО.

Наиболее очевидным внешним признаком PHA-телят является анасарка, приводящая к крупноплодию (рис. 66.6), часто требующего кесарева сечения. Кроме того, PHA характеризуется полным или почти полным отсутствием легочной ткани (легочная гипоплазия; рис. 66.7), лимфатическим агенезом (отсутствие лимфатических протоков и узлов) и атимией ( отсутствие тимуса) .^68,69

Гетерозиготные носители PHA имеют «нормальный» фенотип и могут быть идентифицированы только генетическим тестированием. После идентификации гена в конце 2006 года более 40 популярных быков-производителей пород Мэн-Анжу, шортгорн и «клубных телят» были идентифицированы как носители PHA. Интересно, что некоторые из самых популярных быков шортгорнской породы являются носителями как большеберцовой гемимелии, так и PHA. Синдром, подобный PHA, был выявлен у крупного рогатого скота декстер в 2006 году, когда Windsor et al.⁶⁷ сообщили о трех случаях PHA у этой породы. Коровы были родственницами, и наследование считалось аутосомно-рецессивным. Хотя мутация породы декстер включает тот же ген, что и у Мэн-Анжу, она не идентична.

Мутация у Мэн-Анжу была простой точечной мутацией, тогда как мутация у декстера была делецией длиной 84 п.н. (пар нуклеотидов) с участием того же экзона, что и мутация Мэна (личное сообщение J. Beever).

Рецессивные дефекты, обнаруживаемые при

отсутствии гомозиготных гаплотипов

Летальные рецессивные дефекты прежде часто обнаруживались на основании сообщений об аномальных состояниях телят и последующих исследований по скрещиванию для подтверждения наследования. Дефекты, влияющие на потерю эмбрионов, иногда выявляли у единичных аномальных телят, достигших позднего гестационного срока или родов^31,35 , или в результате физиологических различий между нормальным и гетерозиготным фенотипами.⁷⁰ Вместо того, чтобы полагаться на сообщения заводчиков об аномалиях, эмбриональные дефекты легче обнаружить с помощью признаков фертильности и генотипов, хранящихся в национальных или международных базах данных.⁷¹

Генотипы и гаплотипы большого числа особей предоставляют новый инструмент для идентификации летальных рецессивных генов. Дефекты, вызывающие гибель эмбриона, трудно обнаружить без геномных данных, даже с очень большими наборами фенотипических и родословных данных, из-за недостаточного количества наблюдений за предполагаемой взаимосвязью.⁷²

С помощью геномных данных могут быть обнаружены летальные рецессивы по гаплотипам, которые распространены в популяции, но никогда не встречаются в гомозиготном состоянии у живых животных. Этот метод требует генотипы только от явно нормальных особей, а не от пораженных эмбрионов, и поэтому является противоположностью большинству предыдущих стратегий.⁷³ Новый подход позволяет обнаруживать летальные дефекты без фенотипических данных. Если число генотипированных особей велико, ожидаемое число гомозиготных гаплотипов тоже достаточно велико, так что их полное отсутствие вряд ли можно отнести к случайности.

Пять новых рецессивных дефектов были обнаружены у голштинской, джерсейской и бурой швицкой пород путем изучения гаплотипов, которые имели высокую популяционную частоту, но никогда не были гомозиготными. Генотипы с помощью BovineSNP50 BeadChip (Illumina, San Diego, CA) (набор микрочипов для генотипирования, т.е. сравнения генотипов) были исследованы у 58 453 голштинов, 5288 джерсеев и 1991 бурых швицов - явно нормальных особей, чьи генотипы сохранены в североамериканской базе данных. Фенотипические эффекты были подтверждены с использованием данных об оплодотворяемости у небольшой популяции коров подверженных риску пород. Расчетное влияние на частоту зачатия варьировалось от –3,0 до –3,7 процентных пункта (разница процентов) , что было немного больше, чем предполагаемые эффекты для ранее известных летальных аллелей, составлявшие –2,5 процентных пункта для брахиспины и –2,9 процентных пункта для CVM.⁷⁴ Расчетное влияние воздействия носителей на частоту мертворождений было небольшим (≤1,8 процентных пункта), но сопоставимо с эффектом CVM (1,4 процентных пункта).⁷⁴ Для каждого из пяти новых дефектов 2,7–20,7% элитных животных в нынешней популяции являются носителями. Но исключение носителей из селекционной программы лишь незначительно улучшит рождаемость. Например, если какойлибо из гаплотипов будет исключен из популяции, то уровень зачатия увеличится менее чем на 1 процентный пункт.⁷⁴

Большеберцовая гемимелия

Синдром большеберцовой гемимелии (TH) был впервые описан в 1951 году в Шотландии у галлоуэйской породы крупного рогатого скота.⁷⁵ Это летальное заболевание характеризуется множественными врожденными деформациями скелета, в первую очередь укорочением или отсутствием большеберцовой кости, абдоминальной грыжей, крипторхизмом, нарушением развития парамезонефрального (Мюллерова) протока, гирсутизмом (избыточный рост терминальных волос) и неправильным закрытием нервной трубки, приводящим к менингоцеле (спинномозговой грыже) . Телята рождаются мертвыми или умирают вскоре после рождения. Шотландская ассоциация галлоуэйского скота использовала тестовое скрещивание и прерывание стельности для выявления носителей и устранения аутосомно-рецессивного дефекта у племенного поголовья породы.⁷⁶

Синдром был впервые описан в США в 1974 г.,⁷⁷ а затем был описан случай с симментальской телкой с артрогрипозом, вентральной грыжей живота, ТН и несросшимися парамезонефральными протоками, с предположением, что это могло быть генетическим заболеванием.⁷⁸ Десять лет спустя TH был идентифицирован у шести генетически связанных зарегистрированных телят шортгорнской породы: трех из США и трех из Канады.⁷⁹ Хотя скелетные аномалии были разными, сочетание TH, абдоминальной грыжи и менингоцеле было поразительно похоже на ранее описанное состояние и было определено, что оно наследуется как аутосомно-рецессивный признак у голлоуэйского скота. Анализ родословной телят шортгорнов показал, что причиной дефекта была гомозиготность по аутосомно-рецессивному аллелю.