周月君

(西北農(nóng)林科技大學(xué)動物科技學(xué)院,陜西楊凌712100)

家畜遺傳缺陷是指由于遺傳物質(zhì)變異對家畜個體造成的有害影響,表現(xiàn)為身體結(jié)構(gòu)缺陷或功能障礙。在過去50年里,由于有效地應(yīng)用基于數(shù)量遺傳學(xué)的育種方案,家畜生產(chǎn)力得到了大幅的提高。高強度的選擇,加上人工授精技術(shù)的普及和應(yīng)用,極大地增加了家畜養(yǎng)殖的效益,但隨之而來的是,畜群的近交系數(shù)逐漸增大,畜群有效含量逐漸減小。全世界存在有幾億頭奶牛,而群體有效含量只有幾百頭,奶牛業(yè)面臨著遺傳缺陷病的定期暴發(fā)。

由于遺傳物質(zhì)變異對家畜個體造成的有害影響,表現(xiàn)為身體結(jié)構(gòu)缺陷或功能障礙,這種有害的遺傳信息按照一定的遺傳方式在世代間垂直傳遞,在某些品種的家系內(nèi)呈現(xiàn)一定的表達方式,不會延伸到無親緣關(guān)系的個體中。家畜育種中,尤其是在以人工授精技術(shù)廣泛應(yīng)用的奶牛育種中,識別并淘汰造成遺傳病的有害基因尤為重要。

1 遺傳缺陷的危害

有效群體數(shù)的降低導(dǎo)致近交程度的增加,使得畜牧業(yè)面臨著隱性缺陷病的定期暴發(fā)。例如,在上世紀(jì)90年代,14%的公牛攜帶編碼白細胞 整合素亞單位CD18基因的突變,從而引起白細胞黏附缺陷(BLAD)。這一致死的免疫缺陷使得0.2%的新生犢牛死亡,估計每年給美國造成的經(jīng)濟損失為5億美元。而近期發(fā)現(xiàn)25%的公牛是脊椎畸形綜合癥(CVM)的攜帶,該突變基因純合時造成93%的母牛流產(chǎn),給世界奶牛業(yè)造成了巨大損害。由于大多數(shù)遺傳缺陷病均為隱性遺傳,而攜帶者表現(xiàn)正常,因此很難發(fā)現(xiàn)。當(dāng)某種遺傳缺陷被發(fā)現(xiàn)時,其已經(jīng)在畜群中進行了長時期的傳播,這給養(yǎng)殖帶來巨大的損失。如CVM 的最初攜帶者出生在1974年,是當(dāng)時一頭非常優(yōu)秀的種公牛,但發(fā)現(xiàn)該病的時間是2000年,這已經(jīng)過了26年,其所造成的直接經(jīng)濟損失是巨大的。而遺傳缺陷病一旦發(fā)生,對疾病的診斷和控制、隱性攜帶者的檢出和淘汰、育種方向的改變及育種計劃的調(diào)整等都需要花費大量的人力和物力,造成不可估計的間接經(jīng)濟損失。而有害基因污染已有優(yōu)良基因庫,由此造成損失更不容忽視。

2 單基因遺傳病的發(fā)病機理及遺傳規(guī)律

遺傳缺陷病的發(fā)病機理是由于調(diào)節(jié)機體內(nèi)發(fā)育及代謝通路的遺傳物質(zhì)發(fā)生變異,使通路的某個環(huán)節(jié)受阻,從而引進機體結(jié)構(gòu)異?；蚬δ艿膿p害。如白細胞粘附缺陷癥(Bovine Leukocyte Adhesion Deficiency,BLAD)是一種牛的造血系統(tǒng)遺傳性疾病,以嚴(yán)重的重復(fù)性感染、缺少膿液形成、損傷愈合延遲和白細胞增多癥為特癥,實質(zhì)是白細胞粘附及相關(guān)的功能包括吞噬和趨化作用的缺陷。遺傳缺陷具有先天性和家系遺傳的特癥,遵循孟德爾遺傳規(guī)律向后代傳遞。對于占大部分的隱性遺傳缺陷而言,由于等位基因(Aa)的顯隱性關(guān)系,雜合子不會表現(xiàn)發(fā)病。但如果表型正常的攜帶者(Aa)交配產(chǎn)生表型正常與缺陷純合個體的比為3∶1,后代基因型AA 、Aa、aa個體的比例為 1∶2∶1,也就是 50%個體為攜帶者,如果在胚胎時期aa個體流產(chǎn)或出生時即死亡,那么后代攜帶者為2/3,也就是67%的個體為攜帶者。其它的遺傳方式有顯性、不完全顯性和超顯性,同樣可用孟德爾理論進行解釋。

3 奶牛常見的遺傳缺陷

到目前已報道的牛遺傳缺陷共有376種,其中鑒定為單基因遺傳的共有75種,已闡明分子機制的有43種,作為人類疾病潛在模型的126種。其他家畜遺傳缺陷情況見表1。而國際荷斯坦牛聯(lián)盟(World Holstein-Friesian Federation,WHFF)及加拿大荷斯坦奶牛協(xié)會要求在系譜標(biāo)明的有6種遺傳缺陷,包括牛白細胞粘附缺陷、脊椎畸形綜合癥、尿苷酸合酶缺陷癥、并趾癥(也稱為螺蹄癥)、瓜氨酸血癥、凝血因子XI,其染色體位置及在系譜上的標(biāo)識見表2。下面就以上6種遺傳缺陷情況作一簡述。

表1 家畜遺傳缺陷匯總表

3.1 脊椎畸形綜合癥

脊椎畸形綜合癥(complex vertebral malformation,CVM)最早由丹麥科學(xué)家于2001年發(fā)現(xiàn)[1]。最初丹麥科學(xué)家發(fā)現(xiàn)荷斯坦牛群中存在脊椎畸形,兩前腿筋腱變短、無法直立行走,頸短、心臟畸形等綜合癥狀的新生病畜,并且發(fā)現(xiàn)牛群中流產(chǎn)率偏高。經(jīng)DNA鑒定發(fā)現(xiàn)了一個隱性遺傳缺陷基因,其純合時可以造成妊娠母牛流產(chǎn)、死胎或犢牛出生后很快死亡。隨后美國、加拿大、日本和歐洲一些國家也相繼報道[2],隨后建立了DNA分子檢測方法。系譜研究發(fā)現(xiàn),所有發(fā)病個體均可以追溯到美國一頭非常著名的公?！癈arlin-M Ivanhoe Bell”(登記號:1667366),這頭公?？赡苁窃撨z傳缺陷基因的共同祖先,出生在1974年,其父親 Penstate Ivanhoe Star,出生在1963年,被認(rèn)為是變異源,從系譜標(biāo)識上看出,他們同時是BL的攜帶者。Carlin-M Ivanhoe Bell在當(dāng)時因其極優(yōu)良的生產(chǎn)性能而在全世界范圍內(nèi)被廣泛使用,致使20幾年后他所攜帶的隱性有害基因得到廣泛傳播。在種公牛中,美國、德國、瑞典、日本CVM攜帶者頻率分別為17.76%,13.17%、23.25%和32.50%,英國排名前100名的公牛攜帶者頻率為16%。我國,2006年初芹對68荷斯坦種公牛進行了檢測發(fā)現(xiàn)10頭攜帶者[3],計算頻率為14.71%。脊椎畸形綜合癥造成胎兒的早期流產(chǎn)、死胎或早產(chǎn),只有極少數(shù)個體出生時還能夠存活一段時間,但很快死亡或被淘汰。據(jù)統(tǒng)計,在母牛妊娠的100 d內(nèi),患CVM 的胚胎的流產(chǎn)率是29%;當(dāng)妊娠到150 d時,流產(chǎn)率上升到45%;當(dāng)妊娠260 d時,有77%的CVM 胎兒已經(jīng)死亡,而整個妊娠期能存活的CVM胎兒僅有7%,實際出生時犢牛的存活率可能更低[4,5]。CVM遺傳缺陷的發(fā)現(xiàn)立刻引起了各國奶牛育種協(xié)會和育種工作者的重視。當(dāng)前該遺傳缺陷病已經(jīng)得到了控制,如在加拿大2002年和2003年出生的犢牛攜帶頻率為2.5%,當(dāng)前荷斯坦母牛中攜帶頻率為1.67%。

表2 6種遺傳缺陷染色體位置及在系譜上的標(biāo)識

3.2 白細胞粘附缺陷癥

白細胞粘附缺陷癥(bovine leukocyte adhesion deficiency,BLAD),最早在1983年發(fā)現(xiàn),1984年確定病因,它是一種與白細胞粘附有關(guān)的細胞表面糖蛋白(整合素)的表達缺陷所致。多發(fā)生于1～14個月齡的荷斯坦牛,是常染色體單基因隱性遺傳類型,雙親均可作為缺陷的攜帶者。出生小牛如為本病的純合體,臨床上即顯癥發(fā)病,表現(xiàn)為持續(xù)性或反復(fù)感染發(fā)炎、生長發(fā)育受阻、嗜中性粒細胞持續(xù)性增加等癥狀。Shuster等對1頭患 BLAD的 Holstein牛CD18編碼基因進行了序列分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),383位的堿基由A變?yōu)镚(A383G),與之相應(yīng)的位于胞外高度保守區(qū)的128位的天門冬氨酸變成了甘氨酸,致使白細胞表面的整合素表達明顯減少或缺乏而引起臨床發(fā)病。另1個堿基則發(fā)生T775C變異,但其對應(yīng)的氨基酸都是亮氨酸,故不發(fā)病。牛的CD18基因已經(jīng)被定位在1號染色體上,GENBANK中牛CD18DNA序列全長為1640bp(Y12672)[6]。BLAD攜帶者的共同祖先是“Osborndale Ivanhoe”(注冊號 :1189870),出生在 1952年,其兒子 “Penatate Ivanhoe star”(注冊號:1441440),出生在 1963年,孫子“Carlin-M Ivanhoe Bell”(注冊號:1667366),出生在1974,均為攜帶者,同時后兩者還是CVM的攜帶者。美國2025頭荷斯坦公牛中發(fā)現(xiàn)BLAD攜帶率為14.1%,其中TPI排名前100名的公牛BLAD攜帶率高達17.1%。據(jù)估測,美國每年可以出生1.6萬頭BLAD牛,每頭母牛按300美元計,每年引起的經(jīng)濟損失可達50萬美元。2002年,韓國對109頭荷斯坦公牛進行了檢測,發(fā)現(xiàn) 5頭BLAD攜帶者[7]。2003年,烏拉圭在121頭母牛中發(fā)現(xiàn)8頭BLAD攜帶者,17頭公牛中發(fā)現(xiàn) 2頭 BLAD攜帶者[8]。2004年,波蘭對5785頭公牛進行了檢測,其中198頭為BLAD攜帶者,盡管之前曾采取了一定的措施,但仍發(fā)現(xiàn)了攜帶者[9]。同年,捷克檢測了246頭牛,沒有發(fā)現(xiàn)BLAD攜帶者。在加拿大,1992年出生的牛攜帶者頻率達到5%,當(dāng)前牛群中BLAD攜帶頻率為1.28%,已經(jīng)得到了控制。

3.3 尿苷酸合酶缺乏癥

牛尿苷酸合酶缺乏癥(deficiency of uridine monophophate synthase,DUMPS),也稱為單普病,是荷斯坦牛群中一種常染色體單基因隱性遺傳疾病,可導(dǎo)致隱性純合的后代胚胎早期死亡。Schwenger B(1993)等人發(fā)現(xiàn)雜合子C-末端405處的密碼子存在一個點突變,原編碼精氨酸的密碼子CGA轉(zhuǎn)變?yōu)榻K止密碼子的 TGA[10]。突變基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物最終翻譯成一段C-末端缺失76個氨基酸催化亞基的短蛋白,造成乳清酸轉(zhuǎn)化為鳥苷酸的催化功能喪失,不能合成DNA、RNA所需的嘧啶核苷酸,從而導(dǎo)致胚胎在妊娠40～60 d時死亡,死亡率100%。UMP基因的cDNA序列全長為1869bp(NM 177508)。DUMPS攜帶者的共同祖先是“Skokie Sensation Ned”(注冊號:1308101),出生在1957年。該病上世紀(jì)80年末期才被發(fā)現(xiàn)。在我國,張松(1999)應(yīng)用PCR-RFLP方法對北京市奶牛中心良種場(91頭)、北京市南郊杜慶牛場(82頭)、北京市南郊德茂牛場(190頭)共363頭中國荷斯坦奶牛和烏魯木齊種牛場的193頭新疆褐牛以及北京市種公牛站的59枚公牛凍精進行了尿苷酸合酶(UMPS)基因分子水平的檢測。結(jié)果檢出了2頭雜合母牛,雜合子占所檢測母牛群的0.551%,此頻率處于國外報道的DUMPS發(fā)生頻率的范圍(0.2%～2.5%)之內(nèi)。在荷斯坦公牛和新疆褐牛中只檢測到一種基因型,沒有發(fā)現(xiàn)隱性突變基因的攜帶者。在加拿大當(dāng)前DUMP的攜帶者頻率為0.068%,基因頻率很低,可以認(rèn)為已經(jīng)從牛群中根除。

3.4 瓜氨酸血癥

瓜氨酸血癥(citrullinemia,CN)是一種引起荷斯坦牛尿循環(huán)代謝紊亂的常染色體單基因隱性遺傳缺陷病。發(fā)病個體由于缺乏尿素代謝過程中催化瓜氨酸生成精氨酸琥珀酸的關(guān)鍵酶-精氨酸琥珀酸合成酶,而導(dǎo)致瓜氨酸不能轉(zhuǎn)變?yōu)榫彼徵晁?引起機體內(nèi)尿代謝紊亂。這一代謝紊亂的發(fā)生使體內(nèi)代謝生成的瓜氨酸前體-氨無法轉(zhuǎn)變?yōu)槟蛩?而無法排出體外,從而使對機體有毒物質(zhì)的氨大量積蓄于組織及血液中,引起機體發(fā)病。由于母體可以排出胎兒代謝產(chǎn)生的氨,所以發(fā)病個體在胎兒期間或剛出生時表現(xiàn)正常,但出生后不久便表現(xiàn)出一系列臨床癥狀,如精神沉郁、步態(tài)紊亂、抽搐、驚厥、失明、虛脫等,一般出生后5 d死亡,死亡率100%。該病是精氨酸琥珀酸合成酶基因的一個點突變造成的。精氨酸琥珀酸合成酶外顯子5發(fā)生C-T的點突變,使密碼子CGA轉(zhuǎn)變?yōu)榻K止密碼子TGA,從而其翻譯產(chǎn)物-精氨酸琥珀酸合成酶變成了截短了的85個AA的蛋白質(zhì)(正常為412個AA),而失去活性[11]。Dennis根據(jù)此原理利用限制性內(nèi)切酶AvaII建立了檢測遺傳缺陷CN的 PCR-RFLP方法,之后Robinson利用該方法對美國荷斯坦牛進行了檢測。澳大利亞荷斯坦牛群中CN攜帶頻率曾經(jīng)很高,1989年澳大利亞人工授精組織的13%公牛是遺傳缺陷CN的攜帶者,所有攜帶者均與公牛“Linmack Kriss King”(注冊號:CAN294213)有關(guān),Linmack Kriss King出生在1959年,被認(rèn)為是CN攜帶者的共同祖先,與同時代的其他公牛相比,具有極高的遺傳潛能,尤其是乳脂量育種值高,受到育種者及生產(chǎn)者的廣泛歡迎。這使CN在荷斯坦牛群中廣泛傳播。到80年代,澳大利亞主要育種公司的75%公牛含有Linmack Kriss King的血液。1900年澳大利亞禁止CN攜帶者公牛進入人工授精中心,使該病的發(fā)生率明顯降低。在加拿大奶牛協(xié)會網(wǎng)上(www.cdn.ca),共查到公牛Linmack kriss king的后代452頭,均出生在20世紀(jì)70～80年代,其中澳大利亞有63頭,法國8頭,英國 213頭,愛爾蘭40頭,新西蘭128頭。以英國出生的后代最多,并且在英國其后代有兩頭公牛參加國際公牛遺傳評定。在當(dāng)前牛群CN攜帶者的頻率已很低,有的國家甚至檢測不到。

3.5 凝血因子XI缺陷癥

凝血因子XI(Factor XI,FXI)是一種絲氨酸蛋白酶原,在傳統(tǒng)的內(nèi)源性凝血途徑中,因子XI被活化的因子XII激活后,在鈣離子存在下,被激活,從而引發(fā)凝血過程的進行。近來研究發(fā)現(xiàn),因子也能被凝血酶激活,活化的因子XI促進凝血酶的大量產(chǎn)生,近一步激活被凝血酶激活的纖溶抑制物,而抑制纖溶系統(tǒng),起到凝血和抗凝作用。FXI主要在內(nèi)源性凝血的前期反應(yīng)中對相關(guān)因子的激活起關(guān)鍵性的作用。缺陷個體一般無直接表現(xiàn)癥狀,間接癥狀包括:注射治療時出血時間延長、血腥奶、貧血,與血友病有些相似。缺陷純合及雜合個體可能表現(xiàn)低的產(chǎn)犢率和成活率,并且對疫病的易感性。酶活試驗發(fā)現(xiàn)感染個體FXI活性比正常個體低10%。對奶牛養(yǎng)殖具有重大的經(jīng)濟影響。FXI缺陷病已經(jīng)在人類、狗和牛中相繼報道,最早是在1969年的美國,后來在加拿大和英國。FXI基因包括15外顯子和14個內(nèi)含子,定位在牛 27q14。Marron et al(2004)在荷斯坦牛群中發(fā)現(xiàn)感染個體FXI基因的第12外顯子上存在一個76 bp的插入突變,導(dǎo)致一個終止密碼子的出現(xiàn),使翻釋后的FXI因子缺乏蛋白功能區(qū)[12]。并對美國419個荷斯坦牛進行了檢測,結(jié)果檢測出 5個雜合子,突變頻率為1.2%。Kunieda et al(2005)在日本黑牛群體中發(fā)現(xiàn)感染個體在第9外顯了上存在一個15bp的插入突變[13]。目前在加拿大還沒有進行分子檢測,沒有確定共同祖先。

3.6 并趾癥

牛并趾癥(syndactyly),也稱為騾蹄癥(Mulefoot,MF),是一種常染色體的隱性遺傳病,但在不同品種中表現(xiàn)不同的外顯率,感染者一般一只或多只蹄子均可表現(xiàn)騾蹄。最早報到在1967年,到目前已經(jīng)在多個國家的許多個品種中報到,然而大部分的文獻都是發(fā)生在美國荷斯坦牛中。早期的研究發(fā)現(xiàn),并趾癥攜帶者可多產(chǎn)2.1磅的乳脂,298磅的奶量。1996年Charlier用基因組范圍內(nèi)的標(biāo)記進行IBD連鎖分析將該基因定位到牛15號染色體上。Duchesne(2006)對36個患有騾蹄癥的荷斯坦母牛進行了研究,發(fā)現(xiàn)所有感個體的低密度脂蛋白受體結(jié)合蛋白基因(Low Density Lipoprotein Receptorrelated Protein 4,LPR4)第33外顯子發(fā)生了兩個連續(xù)堿基的突變(C4863A,G4864T),導(dǎo)致LRP4蛋白的兩個遺傳密碼發(fā)生發(fā)改變,改變了保守性的類表皮樣生長因子蛋白的結(jié)構(gòu)。Johnson(2006)在兩頭感染的安格斯牛LRP4基因的第37內(nèi)含子上發(fā)現(xiàn)了一個不同的單堿基突變。Cord Dr?gemǜller(2007)在荷斯坦牛、德國西門塔爾牛和西門塔爾-夏洛來牛的 LRP4基因上發(fā)現(xiàn)4個新的突變[14]。騾蹄癥攜帶者的共同祖先是“Wayne Spring Fond Apollo”(注冊號:159582),出生在 1970 年,曾經(jīng)是金牌公牛。系譜分析發(fā)現(xiàn)該公牛是“Osborndale Ivanhoe”(注冊號:1189870)的孫子 ,而“Osborndale Ivanhoe”是BLAD攜帶者的共同祖先。在加拿大荷斯坦牛群中MF的攜帶者頻率為0.364%。

總之,大量的研究發(fā)現(xiàn),隨著人們對高產(chǎn)的不斷追求,動物對疾病的抵抗力減弱,如高產(chǎn)奶牛乳房炎的發(fā)生率增加;同時,新的遺傳缺陷也在不斷的出現(xiàn),如Carole CHarlier(2008)利用覆蓋全基因組的高密度的SNP芯片,對牛的5個遺傳缺陷進行了研究,精細定位了其中的3個遺傳缺陷:比利時蘭牛先天性肌張力障礙I和II,意大利契安尼娜牛魚鱗病胎兒,并闡明了分子機理[15]。有些遺傳疾病還與生產(chǎn)性能緊密連鎖,如Weaver綜合癥與奶牛產(chǎn)奶性狀間顯著相關(guān)。這使許多國家都把對奶牛的抗病性選擇納入育種規(guī)劃中。

在奶牛育種中,應(yīng)監(jiān)測所出現(xiàn)的遺傳缺陷,并收集發(fā)病個體的樣品,定位并鑒定突變位點,尋找診斷的標(biāo)記,利用這些標(biāo)記避免風(fēng)險選配,進而通過有效的策略來控制遺傳缺陷病的暴發(fā)是至關(guān)重要的。在我國奶牛育種中也應(yīng)加強這方面的工作,隨著我國奶牛群體的不斷擴大,檢測牛群的缺陷基因并淘汰缺陷個體,尤其是對種公牛而言,更是具有十分重要的意義。

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