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Einzeltätern auf der Spur – Gentestentwicklung beim Nutztier
Cord Drögemüller, Institut für Genetik, Vetsuisse-Fakultät, Universität Bern
Beispiele für Erbfehler und genetische bedingte Erkrankungen
Zusammenfassung
Die Struktur moderner Nutztierpopulationen offenbart immer wieder Ausbrüche vererbter
Krankheiten, sogenannter Erbfehler. Wenn bedeutende Zuchttiere als unbekannte Träger
einer häufig monogen rezessiv vererbten Mutation mit hoher Frequenz eingesetzt werden,
kann es wenige Generationen später zu einem massiven Auftreten eines Erbfehlers
kommen. Nach einem Ausbruch hat es in der Vergangenheit mehrere Jahre gebraucht, bis
traditionelle Selektionsstrategien das Auftreten eines Erbfehlers begrenzt haben. Seit 20
Jahren werden DNA-Tests zur raschen und nachhaltigen Selektion gegen Erbfehler
entwickelt. Allerdings ist deren Verfügbarkeit bei Rind, Schwein, Schaf und Ziege nach wie
vor beschränkt. Die Methoden der molekularen Analyse von Erbfehlern hat sich in dieser Zeit
parallel zum jeweiligen Stand der Genomanalyse entwickelt. Somit hat sich der Aufwand und
die Zeitdauer vom Erkennen eines Erbfehlerproblems bis zur Entwicklung eines Gentests
insbesondere in den letzten Jahren erheblich reduziert. Mehrere Beispiele zeigen, dass
bereits einzelne erkrankte Tiere genügen, um die Lokalisation der Mutation im Genom zu
erreichen. Das Aufspüren kausaler Mutationen stellt jedoch nach wie vor eine
Herausforderung dar. Die Möglichkeit der Sequenzierung des gesamten Genoms einzelner
Tiere mit Hilfe von hochparallelen Sequenzierungsmethoden hat sich als sehr effizient und
geeignet erwiesen.
Literatur auf Anfrage beim Verfasser:: cord.droegemueller@vetsuisse.unibe.ch

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Einleitung
Die Tierzucht hat in den letzten 100 Jahren beeindruckende Fortschritte erzielt. So stieg zum
Beispiel die durchschnittliche jährliche Milchleistung von Kühen in diesem Zeitraum von
weniger als 2‘000 kg auf heute mehr als 8‘000 kg. Nur durch diesen Zuchtfortschritt kann die
weltweit steigende Nachfrage nach qualitativ hochwertigen tierischen Nahrungsmitteln
gedeckt werden. Der Erfolg der Rinderzucht beruht auf der konsequenten Selektion
(Auslese) der jeweils leistungsstärksten Tiere für die Zucht innerhalb einer Rasse. Dabei
kann insbesondere auf der väterlichen Seite sehr streng selektiert werden, da wenige Stiere
genügen, um mit Hilfe der künstlichen Besamung sehr viele Nachkommen zu erzeugen. Auf
der mütterlichen Seite ist die Selektion weniger streng, da immer eine genügend hohe
Anzahl an Kühen benötigt wird, um die Kälber auszutragen. In der modernen Milchviehzucht
wird heute international fast ausschliesslich die künstliche Besamung eingesetzt und es ist
nicht ungewöhnlich, wenn ein besonders leistungsstarker Besamungsstier mehr als 10‘000
direkte lebende Nachkommen in der ganzen Welt hat.
Riskanter Verlust der genetischen Vielfalt
Die Beschränkung auf wenige Besamungsstiere führt aber auch zu einem Verlust an
genetischer Vielfalt und birgt das Risiko, dass sich mitunter unerwünschte oder sogar
schädliche Mutationen im Genom extrem schnell in einer Population ausbreiten können. Eine
derartige schädliche Mutation führt beispielsweise zur so genannten Arachnomelie oder
Spinnengliedrigkeit beim Braunvieh. Betroffene Kälber kommen tot und mit überlangen
missgebildeten Gliedmassen sowie charakteristischen Schädelmissbildungen auf die Welt
(Abbildung 1).
Abbildung 1 Arachnomelie beim Braunvieh

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Die Arachnomelie wird monogen autosomal rezessiv vererbt, das heisst sie tritt nur dann auf,
wenn ein Kalb die Mutation sowohl von seinem Vater als auch von seiner Mutter vererbt
bekommt und somit reinerbig (homozygot) für die Mutation ist. Tiere, die nur eine Kopie
(Allel) des mutierten Genomabschnitts neben einer weiteren unveränderten Kopie besitzen,
sind äusserlich völlig normal und werden als Anlageträger bezeichnet. Vermutlich hat das
ursächliche Mutationsereignis hierfür bei dem im Jahre 1957 geborenen Braunviehstier
Lilason stattgefunden. Das ursächliche Mutationsereignis blieb zunächst natürlich
unbemerkt, da ja eine Kopie des mutierten Genomabschnitts völlig unschädlich für den
Anlageträger ist. Zahlreiche Söhne und Enkel von Lilason dominierten die internationale
Braunviehzucht in den 1960er und 1970er Jahren, die Frequenz von Anlageträgern in der
Population stieg stetig und es kam kurz darauf nach der zufälligen Anpaarung von zwei
Anlageträgern zur Geburt der ersten betroffenen Kälber. Erst zu diesem Zeitpunkt konnte
erkannt werden, dass eine neue Erbkrankheit beim Braunvieh existiert. Im Jahr 1995 wurde
sieben Generationen später in Italien z.B. der Stier Amaranto geboren, welcher ebenfalls ein
Anlageträger für die Arachnomelie war. Amaranto wurde aufgrund weit überdurchschnittlicher
Leistungen seiner Töchters- und Exterieurzuchtwerte ein international stark
nachgefragter Besamungsstier und gemäss den Mendelschen Regeln hat Amaranto den
mutierten Genomabschnitt an die Hälfte seiner mehreren Tausend direkten Nachkommen
weitergegeben und so die schädliche Mutation in der Braunviehpopulation in jüngster Zeit
nochmals stark weiter verbreitet.
Zuchtverbot für Anlageträger
In der Schweizer Braunviehzucht kam die Arachnomelie schon früher vereinzelt vor, ohne
dass sie besonders beachtet wurde. Erst das gehäufte Auftreten seit 1984 gab Anlass, der
Erbkrankheit nachzugehen und Gegenmassnahmen zu suchen. Die Zuchtverantwortlichen
haben darauf schnell reagiert und zur Bekämpfung der Erbkrankheit ein Zuchtverbot für alle
bekannten Anlageträger, das heisst Eltern von betroffenen Kälbern verhängt. Durch diese
Massnahmen konnte die Anzahl der Arachnomelie-Fälle in der Schweiz stark
zurückgedrängt werden und in den letzten Jahren wurden in der Schweiz fast keine Fälle
mehr gemeldet.
Diese konventionelle Bekämpfung einer rezessiven Erbkrankheit war zwar ohne Zweifel
recht erfolgreich, jedoch können heute mit den modernen Werkzeugen der Molekulargenetik
noch bessere Zuchtstrategien realisiert werden. Einerseits ist es mit der konventionellen
Bekämpfung nicht möglich, alle Anlageträger, insbesondere auf der weiblichen Seite, zu
identifizieren und somit besteht immer das Risiko, dass zukünftig noch weitere Fälle
auftreten können. Ein vielleicht noch schwerwiegenderer Nachteil des konventionellen
Bekämpfungsprogramms besteht darin, dass die wertvolle Genetik von bekannten

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Anlageträgern für die Zucht völlig verloren geht. So war zum Beispiel Amaranto einer der
besten Stiere seiner Zeit und seine Nachkommen wurden alle von der Zucht
ausgeschlossen, obwohl nur die Hälfte von ihnen tatsächlich die schädliche Mutation für
Arachnomelie tragen.
Abbildung 2 Arachnomelie Mutation im SUOX Gen.
(A) DNA Sequenz bei einem Kontrolltier, (B) Anlageträger, (C) Kalb mit
Arachnomelie. Der Pfeil zeigt die 1 bp Insertion.
Gentest ermöglicht gezielte Selektion
Vor kurzem konnten wir die verantwortliche Mutation für die Arachnomelie identifizieren.
Unter Einsatz moderner Methoden der Molekulargenetik haben wir die molekulare Ursache
dieser Erbkrankheit erforscht. Dieses gelang obwohl uns für unsere Forschung nur 15
Proben von betroffenen Kälbern zur Verfügung standen, da diese totgeborenen Kälber oft
vor einer Meldung entsorgt werden und damit für die Forschung verloren gehen. Um die
ursächliche Mutation für die Arachnomelie aufzuspüren, haben wir zunächst 240
gleichmässig über das Genom verteilte Stellen (Mikrosatelliten) mit bekannter hoher
Variabilität in der Population untersucht. Wir verfolgten dabei die Hypothese, dass betroffene
Kälber zwei identische Kopien des mutierten Genomabschnitts tragen müssen, die beide
vom mutmasslichen Gründerstier Lilason stammen. Demgegenüber sollten, während in
anderen in Genomregionen, die nichts mit der Arachnomelie zu tun haben, zufällige
Kombinationen aller natürlich existierenden Varianten auftreten sollten. Wir analysierten also
für alle 240 untersuchten Stellen im Genom, ob die betroffenen Kälber immer die gleichen
Allele (Varianten) trugen oder ob verschiedene Allele vorkamen. An 5 der 240 untersuchten
Stellen fanden wir tatsächlich immer die gleichen Allele bei den betroffenen Kälbern. Durch
die zusätzliche Analyse von 36 bekannten Anlageträgern, welche ja ebenfalls eine Kopie des
mutierten Genomabschnitts tragen müssen, konnten wir letztlich die ursächliche Mutation für
die Arachnomelie auf dem Rinderchromosom 5 lokalisieren. Alle verfügbaren betroffenen
Kälber wiesen identische Allele in einem Bereich von etwa sechs Prozent des

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Rinderchromosoms 5 auf, während auf dem restlichen Rinderchromosom 5 sowie auf allen
anderen 29 Rinderchromosomen zufällige Allele auftraten. Mangels vielversprechender
funktioneller Kandidatengene und der Vielzahl der Gene in diesem Genomsegment wurde
gezielt die gesamte zuvor kartierte Region von ca. 7 Millionen Basenpaaren mittels
Microarray bei zwei Tieren angereicht und anschließend sequenziert. Die vergleichende
Analyse der identifizierten Sequenzpolymorphismen zwischen dem Kalb mit Arachnomelie
und einem gesunden Kontrolltier hat letztlich zur Identifikation einer 1 bp Insertion im
kodierenden Abschnitt des Sulfitoxidase (SUOX) Gens geführt, die perfekt mit dem dem
Auftreten der Arachnomelie assoziiert ist (Abbildung 2). Da das sequenzierte gesunde
Kontrolltier, die Kuh Valbella, ein ingezüchteter Anlageträger ist und die Tatsache, dass
dieses Tier in den rund 1000 proteinkodierenden Abschnitte (Exons) des gesamten Intervalls
nur an einer einzigen Stelle im SUOX Gen heterozygot war lieferte einen perfekten
genetischen Beweis für die Kausalität dieser Mutation (Abbildung 3).
Abbildung 3 Stammbaum zur Arachnomelie beim Braunvieh.
Die Kuh Valbella ist Trägerin der Mutation für die Arachnomelie (A) und stammt sowohl paternal als auch
maternal vom Stier Larry ab, ist also ingezüchtet. Das ursprüngliche Mutationsereignis ist beim Stier Lilason
aufgetreten (siehe Pfeil). Dieser ist ein Sohn Larrys und hat über sieben Generationen das Defektallel an den
Stier Amaranto weitervererbt. Eine Tochter von Larry, die Ur-ur-ur-ur-Grossmutter Valbellas mütterlicherseits, hat
eine normale Kopie des Chromosom 5 ohne die A-Mutation erhalten. Somit ist die gesunde Kuh Valbella
abstammungsidentisch für diese Genomregion, und trägt eine Kopie der A-Mutation. Gleiches gilt für die Stiere
DQ, Bambus und Tommy.

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Die identifizierte Insertionsmutation verschiebt den SUOX Leserahmen was einen vorzeitigen
Abbruch der Translation zur Folge hat. Somit ist dieser Erbfehler durch eine Funktionsverlustmutation
eines Gens verursacht, welches zuvor nicht im Zusammenhang mit der
Knochenentwicklung bekannt war. Der Nachweis der SUOX Mutation stellt den daraus
entwickelten direkten Gentest für die Zuchtpraxis dar. Hierzu genügt wenig DNA-haltiges
Material z.B. aus einzelnen Haarwurzeln extrahiert. Auf diese Weise untersuchen wir zur Zeit
insbesondere Nachkommen und Enkel von Amaranto, die aufgrund des konventionellen
Bekämpfungsprogramms normalerweise von der Zucht ausgeschlossen würden. Mit Hilfe
des Gentests können wir die Kühe und Stiere identifizieren, die frei von der schädlichen
Mutation für die Arachnomelie sind. Diese erbgesunden Rinder können somit in der Zucht
eingesetzt werden und die ansonsten hervorragenden Gene von Amaranto an zukünftige
Generationen in der Braunviehpopulation weitergeben.
Abbildung 4 Degenerative Axonopathie (Demetz-Syndrom) beim Grauvieh.
Beim Rind wurden sogenannte genomweite Assoziationskartierungen zur Lokalisierung
rezessiver Mutationen im Genom mit der Entschlüsselung des Rindergenoms im Jahr 2005
ermöglicht. Die parallel durchgeführte Entwicklung von sogenannten single nucleotide
polymorphism (SNP) microarrays, mit denen an einer DNA-Probe gleichzeitig mittlerweile
über 777‘000 SNP genotypisiert werden können ist im Vergleich zur bisher üblichen
Darstellung von Mikrosatelliten-Markern günstig und sehr effizient. Im Jahr 2008 sind die
ersten erfolgreichen genomweiten Assoziationskartierungen für monogen autosomal
rezessive Merkmale beim Rind publiziert worden. Für 3 der bearbeiteten 5 Erbfehler wurden
anschließend die ursächlichen Mutationen entdeckt und jeweils ein direkter Gentest
entwickelt. Für die beiden übrigen Erbfehler können zumindest die assoziierten SNP-Marker
für eine indirekte Gendiagnose genutzt werden. Bemerkenswert ist der im Vergleich zu
früheren Kopplungsstudien geringe Aufwand, z.B. genügten für die Kartierung der Mutation
für die Fischschuppenkrankheit beim italienischen Chianina Rind die DNA-Proben von 3
Fällen und 9 Kontrollen. Für die Kartierung der Mutation für die vererbte Neuropathie

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(Demetz Syndrom) beim Tiroler Grauvieh (Abbildung 4), einer Erbkrankheit die auch in der
Schweiz beim eng verwandten Rätischen Grauvieh vorkommt, genügten uns Proben von 14
Fälle, 15 Anlageträger und 8 Kontrollen. Damit konnte innerhalb weniger Wochen nach
Beginn der Laboranalyse mit der markergestützten Selektion gegen diesen Erbfehler
begonnen werden. Im Anschluss haben wir durch die Analyse eines Kandidatengens (MFN2)
welches bei Menschen mit peripheren Neuropathien Mutationen aufweist, relativ rasch die
verantwortliche Mutation für das Demetz-Syndrom beim Grauvieh aufspüren können. Auch
hierfür steht somit ein Gentest für die Selektion gegen diese fatale Erbkrankheit zur
Verfügung.
Abbildung 5 Mikrophthalmie beim Texelschaf (A: Gesundes Lamm, B: betroffenes Lamm).
Mit der Verfügbarkeit eines SNP-Microarrays für das Schaf konnten wir erstmals eine
genomweite Assoziationskartierung für einen Erbfehler beim Schaf durchführen. Mit der
Identifikation der für die monogen rezessiv vererbte Kleinäugigkeit (Mikrophthalmie) beim
Texelschaf kausalen PITX3 Mutation steht ein robuster Gentest zur Bekämpfung dieses
Erbfehlers bei dieser Fleischschafrasse zur Verfügung (Abbildung 5).
Fazit
Praktisch kein Individuum ist frei von unerwünschten Mutationen. Daher treten neben den in
der Literatur bei Nutztieren beschrieben genetischen Defekten immer wieder neue Erbfehler
zu Tage. Die intensive Selektion in den heutigen Zuchtpopulationen hat bei allen Rassen zu
Inzuchtpaarungen und zum vermehrten Auftreten von Erbfehlern geführt. Bei der Wahl der
Bekämpfungsstrategie steht heute neben traditionellen Selektionsstrategien eine stetig
zunehmende Zahl an DNA-basierten Testverfahren zur Verfügung.
In Kombination mit der vollzogenen bzw. laufenden Entschlüsselung der Genome von
nahezu allen relevanten Nutztierarten erlauben die derzeitigen Methoden der
Molekulargenetik eine sehr rasche Entwicklung von Gentests. Somit kann frühzeitig nach
dem Auftreten eines Erbfehlers eine zunächst Marker-basierte, indirekte Selektion zur
effizienten Bekämpfung des Erbfehlers durchgeführt werden. Das Aufspüren kausaler
Mutationen stellt dagegen weiterhin eine Herausforderung dar. Die Möglichkeit der
effizienten Entschlüsselung individueller Genome bietet neue Möglichkeiten zur Identifikation
verantwortlicher Genmutationen. Damit wird sich die molekulare Analyse von Erbfehlern
hinsichtlich der Zucht auf erbgesunder Tiere auch im zugunsten des Tierschutzes verändern.