一只公牛的基因突变如何导致全世界50万只小牛的损失

Pawnee Farm Arlinda Chief是荷斯坦牛养殖史上最多产的公牛之一 - 但他也向人群中引入了致命基因，导致全世界估计有50万次自然流产。现在，研究人员已经确定了变异责任，使牧场主能够测试并避免它。酋长出生于1962年，生产了16,000个女儿，50万个孙女和200多万个曾孙女。他的儿子也是受欢迎的公牛。因此，在美国目前的荷斯坦人群中，Chief的染色体占基因组的近14%。

“我们发现导致生育力降低的突变是消除荷斯坦奶牛群中这种有害等位基因的重要一步，”该研究的资深作者，加州大学戴维斯分校进化与生态系教授哈里斯·勒温说。研究结果发表在8月份的“乳品科学杂志”上。Lewin和他的同事最初在2009年Lewin在伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校时对Chief和他的一个儿子，Walkway Chief Mark进行了测序。

2011年，在Lewin抵达加州大学戴维斯分校后不久，美国农业部的科学家们就向他们提供了一些有趣的信息和请求。

美国农业部的研究人员在荷斯坦奶牛的5号染色体上发现了一个有问题的单倍型(一组遗传自一个亲本的基因)，这与生育率较低和胚胎丢失有关。他们已经将单倍型追溯到Chief。“他们问我们是否能找出可能导致生育能力影响的Chief 可能的突变，”Lewin说。

Lewin和研究合着者Heather Adams能够快速确定候选人。“在不到24小时内，因为我们已经对Chief和他的载体儿子进行了测序，我们能够在5号染色体上发现'无意义'变异。这是一个尤里卡时刻，”Lewin说。

突变缩短了关键的氨基酸链

这种突变缩短了对蛋白质与蛋白质相互作用至关重要的氨基酸链，在一种叫做APAF1的基因中被发现，这是一种细胞凋亡肽激活因子1的缩写。

如果荷斯坦牛犊仅从父母那里继承了APAF1的一份副本，那么它就成了一个载体。但如果它继承了父母双方的突变拷贝，那么这种组合就是致命的。研究小组发现758只动物中没有来自父母的APAF1动物。超过246,000荷尔斯坦的商业测试显示了相同的结果。

该研究估计，30年内荷斯坦牛犊的累计死亡人数在美国超过10万，全球约为50万。

关于突变为何如此致命的见解来自于老鼠。以前的研究表明，影响APAF1功能的突变通过影响中枢神经系统的发育而导致小鼠胎儿死亡。严重缩短的APAF1肽具有使基因不起作用的作用，因为关键部分位于截短部分。

“我们非常有信心，APAF1停止 - 增加突变是导致酋长血统生育能力丧失的原因，”Lewin说。

荷斯坦育种者将能够测试潜在的致命突变

单次中期堕胎可能使乳制品花费约800美元。在全球范围内，过去35年来APAF1突变的损失估计约为4.2亿美元。

奶牛正在大量选择牛奶产量和脂肪含量等特性。正因为如此，育种者严重依赖人工授精的使用，但这增加了全国畜群的近亲繁殖，这增加了人群中APAF1等隐性致死基因的频率。

育种者现在可以对APAF1突变进行诊断测试，以避免交配两种携带者，同时仍保留来自Chief的有益遗传贡献，估计增加的产奶量约为300亿美元。

“测序成本已降至现在对整个基因组进行测序和解释的成本低于通过传统方法对基因进行遗传定位的成本。正如快速，低成本的基因分型彻底改变了奶牛的育种，同样如此全基因组测序用于提高父系和大坝选择的准确性，“Lewin说。

美国农业部最近的一份报告估计，美国的奶牛数量为932万头。2015年的牛奶产量总计2090亿磅，每头牛的年产量为22,393磅。2015年牛奶营销的现金收入总计为357亿美元。