Erbfehler beim Pferd

Erbfehler beim Pferd
Tosso Leeb
Universität Bern
Bisherige Erfolge der Molekulargenetik
Gentests für einfache Merkmale
1. Hyperkalemic Periodic Paralysis - HYPP
(Quarter Horse u.a.)
2. Severe Combined Immunodeficiency - SCID
(Araber)
3. Overo Lethales Weißes Fohlensyndrom - LWF
(Paint Horse u.a.)
4. Glycogen Branching Enzyme deficiency - GBED
(Quarter Horse u.a.)
5. Junctional Epidermolysis Bullosa - JEB
(Kaltblut)
6. Fellfarbe - Fuchs, Rappe, Tobiano, Sabino, Cream, Silber
7. Sex Determining Region Y - SRY (Fruchtbarkeit)
8. Abstammungskontrolle - Mikrosatelliten DNA Marker
Hyperkalemic Periodic Paralysis (HYPP)
Kaliuminduzierte Anfälle von Skelettmuskellähmung
Quarterhorse (Paint, Appaloosa u.a.), Mensch
Bildquelle: http://www.foundationhorses.com/impressive_syndrom.htm
Nachkommen des Hengstes „Impressive“ („Impressive Syndrome“)
> 50‘000 Nachkommen
Erkrankung häufig mit besonders starker Bemuskelung assoziiert
Æ unbeabsichtige Selektion des Defekt-Allels
Hyperkalemic Periodic Paralysis (HYPP)
Symptomatik:
Muskelschwäche, -tremor
Kollaps während des Trainings:
Laryngospasmus, Hypoxie, Hyperkapnie, Arrhythmien
Labor:
K+-Spiegel im Blut erhöht
Alter:
2-4 Jahre (6 Monate – 14 Jahre)
Therapie:
kaliumarme Diät
Erbgang:
monogen autosomal (ko)dominant
Ursache:
Defekt im Gen für eine Untereinheit eines Na+-Kanals (SCN4)
C/G-Punktmutation, Austausch Phe > Leu in IVS3
Nachweis:
PCR-RFLP, direkter Gentest für HYPP seit 1992
http://omia.angis.org.au/retrieve.shtml?pid=61
http://www.vgl.ucdavis.edu/~lvmillon/hypp/hypp_facts.html
http://www.foundationhorses.com/impressive_syndrom.htm
Rudolph et al. (1992) Nature Genetics 2:144-147
Erbliche Immunschwäche bei Arabern (SCID)
Bildquelle: http://www.tiho-hannover.de/einricht/zucht/eaap/descript/1447.htm
Severe combined immunodeficiency (SCID)
Vollständiges Fehlen von B- und T-Lymphozyten
Tiere sterben früh an opportunistischen Infektionen
Araber, Mensch, Maus ...
Erbliche Immunschwäche bei Arabern (SCID)
Ursache:
keine funktionelle DNA-abhängige Proteinkinase (DNA-PK)
Pathogenese:
VDJ-Rekombination unmöglich (Sequenzspezifische Rekombination zur
Umlagerung von Genen für Immunglobuline und T-Zell-Rezeptoren)
Æ keine funktionsfähigen Antikörper und T-Zell-Rezeptoren
Æ keine B- und T-Zellen
Æ schwere Immunschwäche
Erbgang:
monogen autosomal rezessiv
Molekulargenetik:
5 bp Deletion im Gen für die katalytische Untereinheit
der DNA-abhängigen Proteinkinase (PRKDC)
(frameshift-Mutation)
Nachweis:
direkter Gentest für SCID seit 1997
http://omia.angis.org.au/retrieve.shtml?pid=447
http://www.aht.org.uk/clinics_equ_disord_scidm.html
Shin et al. (1997) J. Immunol. 158:3565-3569
Lethal White Foal Syndrome (LWFS, OLWS)
Bildquelle: http://www.animalgenetics.us/LWO.htm
Bildquelle: http://www.horsecity.com/stories/020904/hea_lethalwhite_ML.shtml
weisse Fohlen aus Overo x Overo Anpaarungen
Koliksymptome, fehlender Kotabsatz, Aufblähen des Bauches,
Megacolon
Tod innerhalb weniger Tage nach der Geburt
Lethal White Foal Syndrome (LWFS, OLWS)
Vorkommen:
Pferd, Mensch (Hirschsprung disease), Maus, Ratte (spotted lethal)
Pathogenese:
Entwicklungsstörung einer Subpopulation von Zellen der Neuralleiste
Vorläuferzellen des intestinalen Nervensystems sowie Melanocyten
Ursache:
Defekt im Endothelin B Rezeptor
Erbgang:
monogen autosomal rezessiv
Molekulargenetik:
2 bp Substitution im EDNRB Gen
c.353_354CT>AG
führt auf Aminosäureebene zu
Ile118Lys
Nachweis:
direkter Gentest für Overo seit 1998, z.B. über allelspezifische PCR
N/N
N/O
O/O
118Ile/118Ile
118Ile/118Lys
118Lys/118Lys
Wildtyp
overo
LWFS, lethal
(einfarbig)
(gescheckt)
(weiss)
http://omia.angis.org.au/retrieve.shtml?pid=1207
http://www.vetmed.ucdavis.edu/ceh/HR20-3lethal.html
Santschi et al. (1998) Mamm. Genome 9:306-309
Epidermolysis bullosa beim Kaltblut (EB)
Bildquelle: Milenkovic et al. 2003 Genet. Sel. Evol. 35:249-256
Fehlen der Epidermis, besonders an den Gliedmaßen
Läsionen in der Mundhöhle
Ablösung von Hufen
perinatal letal
Epidermolysis bullosa beim Kaltblut (EB)
Mensch:
Epidermolysis bullosa junctionalis, Herlitz-Pearson Typ (heterogen)
Pathogenese:
Ablösung der Epidermis von der Basalmembran,
Hemidesmosomen werden nicht korrekt verankert
Ursache:
Defekt in der J2-Untereinheit von Laminin 5
Erbgang:
monogen autosomal rezessiv
Molekulargenetik:
Insertion eines Nucleotids in Exon 10 des LAMC2 Gens
c.1368-1369insC
frameshift-Mutation
Nachweis:
direkter Gentest für EB seit 2002,
direkte Größenbestimmung eines PCR-Produkts
171 bp
170 bp
http://omia.angis.org.au/retrieve.shtml?pid=612
Spirito et al. (2002) J. Invest. Dermatol. 119:684-691
Milenkovic et al. 2003 Genet. Sel. Evol. 35:249-256
Glycogen Branching Enzyme Deficiency (GBED)
Betroffene Rassen:
Quarterhorse, Paints
Mensch: Andersen disease, GSD Typ IV
Bildquelle: Jim Mickelson, University of Minnesota
Symptomatik:
variable Symptome bei Fohlen,
Leber, Herz und Skelettmuskulatur können betroffen sein
häufig Hyperflexion der Gliedmassen
Leukopenie, Hypoglykämie
progressive Schwäche, Tod < 5 Monate
Glycogen Branching Enzyme Deficiency (GBED)
spezifischer Nachweis der Erkrankung: PAS-Färbung für Polysaccharide im Gewebe
Skelettmuskulatur eines normalen Pferds
Bildquelle: Jim Mickelson, University of Minnesota
gleichmäßige Verteilung von Glykogen
Skelettmuskulatur eines erkrankten Fohlens
Bildquelle: Jim Mickelson, University of Minnesota
abnormale Verteilung
veränderte chemische Stuktur der Polysaccharide
Glycogen Branching Enzyme Deficiency (GBED)
Biochemie:
Fehlen des “Glycogen Branching Enzyme” = Amylo-(1,4Æ1,6)-Transglucosidase
Pathogenese:
keine Verzweigungen in neu synthetisiertem Glykogen
sehr lange äussere Zweige im Glykogen
mangelnde Verfügbarkeit von Glucose aus der Glykogenolyse
Erbang:
monogen autosomal rezessiv
Molekulargenetik:
Punktmutation in Exon 1 des equinen GBE1 Gens
c.102C>A
führt zu einem Stopcodon auf Aminosäureebene
Tyr34Stop
Gentest:
direkter Gentest seit 2004
http://omia.angis.org.au/retrieve.shtml?pid=2678
http://academic-server.cvm.umn.edu/neuromuscularlab/GBED.htm
Ward et al. (2004) Mamm. Genome 15:570-577
Glycogen Branching Enzyme Deficiency (GBED)
Zantanon: 1920s; 46 Fohlen
30
29
x
x
28
King: 1930s - 1940s; 658 Fohlen
xx
x
x
Poco Bueno: 1940s - 1960s; 405 Fohlen
31
27
x xx x x
Hengst 26: > 1,000 Fohlen
24
25
x
x
x
x x
x
x
4
1
CA
AL
7
5
NA
26
21
xx
16
12
9
KH
IA
KD
IN
20
17
14
MK
MU1
MU2
22
MO
32
Bildquelle: Jim Mickelson, University of Minnesota
Dermatosparaxis (HERDA)
Bildquelle: White et al. (2004)
Bildquelle: Borges et al. (2005)
Bildquelle: Borges et al. (2005)
Symptomatik:
lose verschiebbare Haut, leicht verletzbar, Bildung von Narben
Rasse:
Quarter Horse
Alter bei Diagnose:
0-2 Jahre (evtl. bis 4 Jahre)
Pathophysiologie:
Störung in der Struktur der Kollagenfasern ?
Erbgang:
monogen autosomal rezessiv
Molekulargenetik:
noch unbekannt
http://omia.angis.org.au/cgi-bin/retrieve.py?pid=2646
Tryon et al. (2005) Am J Vet Res 66:437-442
Hämophilie A
Symptomatik:
stark verzögerte Gerinnungszeit, häufig lethal in den ersten Lebenstagen
Pathophysiologie: Mangel an Faktor VIII
Erbgang:
X-chromosomal rezessiv, Mangel von Faktor VIII
Molekulargenetik: bisher nie aufgeklärt, vermutlich Mutationen im F8 Gen
http://omia.angis.org.au/cgi-bin/retrieve.py?pid=57
Anterior Segment Dysgenesis (ASD)
Rasse:
Rocky Mountain horse
Phänotyp: kongenitale Augenmissbildung
Erbgang: monogen autosomal kodominant
heterozygot Æ Zysten im Glaskörper
homozygot Æ multiple anteriore Segment-Anomalien
http://omia.angis.org.au/cgi-bin/retrieve.py?pid=2619
Ewart et al. (2000) J Hered 91:93-98
Roan / Dominantes Weiss
RN/rn
Phänotyp:
heterozygot:
W/w
teilweise oder vollständige Depigmentierung
homozygot:embryonal lethal
Erbgang:
monogen autosomal dominant
Molekulargenetik:
RN und W mit KIT Gen gekoppelt, ursächliche Mutationen unbekannt
Marklund et al. (1999) Mamm. Genome 10: 283-288
Mau et al. (2004) J Anim Breed Genet 121: 374-383
Merkmale mit komplexer bzw. unbekannter Vererbung
Bewegungsapparat – Entwicklungsstörungen – OCD
Allergische Erkrankungen – Atemwege (COPD, RAO), Sommerekzem
Muskelerkrankungen – “Tying Up”
Kongenitale Erbfehler – Mikropthalmie, Zwergwuchs, Schädelmissbildungen,
Luftsacktympanie, Hernien, Kryptorchismus, zerebelläre Abiotrophie,
offene/rupturierte Harnblase, Atresia ani . . .
Geschlechtsbildung – Testikuläre Feminisierung
Infektionsresistenz – Streptokokken (Strangles), West Nil Virus, Parasiten, etc.
Alterungsprozess – Arthritis, Cushing Syndrom
Laminitis
Leistung
Geschwindigkeit, Sprungvermögen, Dressur, Ausdauer
Verhalten
Gangarten, Temperament, Motivation, Verhaltensstörungen
OCD - Sprunggelenk
Bildquelle: Catherine Wittwer
OCD - Fesselgelenk
osteochondrales Fragment distal der Gleichbeine
Bildquelle: Catherine Wittwer
osteochondrales Fragment dorsal
am Sagittalkamm des Fesselgelenkes
Bildquelle: Catherine Wittwer
Atemwegserkrankungen
Welche Pferde sind eigentlich wirklich krank ?
subklinisch
-
leicht
-
mäßig
-
schwer
RAO
IAD
Reccurent airway
Inflammantory airway
disease
obstruction
Healthy race horse
Bildquelle: Vinzenz Gerber
Vergleichende Genkartierung nicht ausreichend
zur Aufklärung komplexer genetischer Merkmale
bei Pferden
Æ Sequenzierung des Pferdegenoms
National Human Genome Research Institute
The Broad Institute – MIT/Harvard
Broad Institute hat bereits das Hundegenom sequenziert (Nature 438:803-819; 2005).
Zeitplan für die Sequenzierung des Pferdegenoms
Konzeptpapier eingereicht
2005
Broad beginnt Sequenzierung
Feb 2006
NHGRI Bekanntmachung
19. Juli 2006
7x Shotgun-Sequenzen
Ende Juli 2006
First Assembly
Dezember 2006
Improved Assembly
Februar 2007
Strategie
Erzeugung von “Whole Genome Shotgun” Sequenzen (Broad Institute)
(~30 Millionen ungeordnete Einzelsequenzen von jeweils ca. 800 Basen)
Erstellen einer physikalischen Karte anhand von BAC-Klonen (TiHo Hannover)
(Æ erleichtert das richtige Zusammensetzen der vielen Einzelsequenzen)
Zusammensetzen zur Genomsequenz mit hoher Genauigkeit (Broad Institute)
Identifizierung von ca. 1,5 Millionen SNPs (Broad Institute)
Untersuchungen zur Haplotypstruktur
Resequenzierung von je 5 kb an 20 loci für 24 Rassen:
Vollblut, Quarter Horse, Araber, Standardbred, French Trotter, Hannoveraner, Isländer,
Andalusier, Akal-teke, Clydesdale, Mongolian horse, Norwegisches Fjordpferd,
Belgisches Kaltblut, Exmoor, Lusitano, Friese, Lippizaner, Kladruby, Trakehner,
Equus ferus przewalskii, Equus asinus, und andere
Je 24 Pferde von 12 Rassen werden für je 100 SNPs genotypisiert,
die an 10 der resequenzierten Bereiche angrenzen, um die Haplotypstruktur und
Unterschiede im Kopplungsungleichgewicht innerhalb der Rassen
und zwischen den Rassen festzustellen.
Ausblick
(1) Kenntnis der Genomsequenz Æ schnellere und kostengünstigere Analyse von Einzel-Genen
(2) Erstellung eines „SNP-Chips“ zur Genotypisierung von ~50.000 SNPs geplant für Ende 2007
Æ genomweite Assoziationsstudien mit nicht-verwandten Tieren in Case-Control Gruppen
Æ wesentlich höhere Auflösung als konventionelle Kopplungsanalysen mit Mikrosatelliten
Partner im Pferdegenomprojekt
MIT/Harvard Broad Institute
Boston, MA, U.S.A.
TiHo Hannover
Helmholtz Zentrum für Infektionsforschung
(ehemals GBF), Braunschweig