Molekulargenetische Untersuchung zur genetischen Variabilität in Hunderassen

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1 Molekulargenetische Untersuchung zur genetischen Variabilität in Hunderassen Kathrin Streitberger 1, Martin S. Fischer 1, Ottmar Distl 2, Jörg T. Epplen 3 Einleitung In der Natur tragen alle Individuen einer biologischen Art zur genetischen Variabilität bei, also zum gemeinsamen Genpool, der Gesamtheit aller Genvariationen bzw. Allele (Merkmalsausprägungen eines Gens). Genetische Unterschiede führen zur Ausbildung von Variationen in der phänotypischen Kombination bestimmter Merkmale. Durch die Zuchtwahl bei Hunden prägen sich diejenigen Merkmale heraus, die in hoher Frequenz vorhanden sind. Die Verpaarung nah verwandter Tiere (Inzucht) führt dazu, dass immer mehr Genloci bzw. Allele homozygot (reinerbig) werden, d.h. in beiden Chromosomensätzen gleich vorhanden sind. Umgekehrt ist ein Individuum heterozygot (mischerbig) für ein Merkmal, wenn ein Gen in zwei verschiedenen Allelen vorliegt. Derzeit existieren weltweit 338 verschiedene Hunderassen, die von der Fédération Cynologique Internationale (FCI) anerkannt werden. Um Verwandtschaftsbeziehungen zwischen verschiedenen Hunderassen zu klären, unternahmen Parker et al. (2004) eine Mikrosatelliten-Typisierung von 85 domestizierten Hunderassen, kombiniert mit phylogenetischen Analysen und modernen genetischen Cluster-Methoden. Die Analyse erlaubte eine Definition verwandter Gruppen und die Aussage, dass genetische Verwandtschaft zwischen Rassen oft mit morphologischer Ähnlichkeit und gleichem geographischen Ursprung korreliert ist. Insgesamt wurden 414 Hunde mittels 96 Variabilitäts- Markern untersucht. Die asiatischen Rassen Akita, Chow Chow, Shar Pei und Shiba Inu stehen demnach dem Wolf am nächsten und dürfen somit als ursprüngliche Rassen gelten. Allerdings werden nur 4 5 unverwandte Hunde pro Rasse untersucht, eine statistisch gesehen sehr schmale Basis. Inwieweit mit Hilfe der Molekulargenetik Rassendifferenzierungen möglich sind, wurde nun im Rahmen eines von der GKF initiierten Projekts untersucht. Unsere Studie umfasst 12 verschiedene Hunderassen: Deutsche Schäferhunde, Deutsche Boxer, Hovawart, Tibet Terrier, Schnauzer (drei Schläge), Deutsche Pinscher, Weimaraner, Akita, Chow Chow und Shar Pei, von denen jeweils mindestens 50 Hunde untersucht wurden. Bei der Auswahl entschlossen wir uns, ein möglichst breites Spektrum abzudecken und wählten deshalb drei verwandte Schläge, drei große deutsche Rassen und drei ursprüngliche (asiatische) Rassen. Drei zusätzliche Rassen wurden einbezogen, um die Hypothese, ob eine Beziehung zwischen Leistungszucht und hohen Heterozygotie-Raten bestehe, zu überprüfen. Die Riesen-, Mittel-, Zwerg-Schnauzer, Deutsche Pinscher und Weimaraner wurden in Bochum, Deutscher Boxer, Deutscher Schäferhund, Hovawart und Tibet Terrier in Hannover und Akita, Chow Chow und Shar Pei in Jena untersucht. Techniken Für die molekulargenetischen Analysen wurden Blut- und Speichelproben von 619 Tieren aus 12 Hunderassen verwendet. Diese wurden mit Hilfe von 19 unterschiedlichen Variabilitäts- Markern (sog. Mikrosatelliten) typisiert. Mikrosatelliten bestehen aus kurzen, sich wiederholenden Sequenzeinheiten von 2-6 Basen (Grundbausteine der DNA) und stellen hochgradig variable genetische Marker dar. Aus den Proben wurde zunächst die DNA extrahiert. Aufgrund der Datenaufnahme an den verschiedenen Instituten, wurde die

2 Vergleichbarkeit der Daten mit Hilfe von Referenzproben gewährleistet, die alle beteiligten Institute verwendeten. Hierfür wurden drei externe Proben ausgewählt und der gleichen Prozedur, wie die übrigen Proben, unterzogen, um Abweichungen, die gerätebedingt an unterschiedlichen Standorten auftreten, vergleichen und verrechnen zu können. Ergebnisse und Auswertung Der Grad an Heterozygotie gilt bisher als Maß für die vorhandene genetische Variabilität. In unserer Analyse zeigte sich aber, dass die mittleren Heterozygotie-Raten für die 19 Mikrosatelliten-Systeme in allen Rassen hoch und erstaunlich ähnlich sind. Die niedrigsten Werte liegen dabei zwischen 0,61-0,64 und werden von den Weimaranern, Deutschen Boxern, Akitas und Mittelschnauzern erreicht. Riesenschnauzer und Tibet Terrier repräsentieren hingegen mit einem Betrag von 0,76 die höchsten Heterozygotie-Raten. Die übrigen sechs Hunderassen Zwergschnauzer, Deutscher Pinscher, Chow Chow, Shar Pei, Deutscher Schäferhund und Hovawart weisen durchschnittlich Heterozygotien von 67% auf. Bezieht man die Welpenstatistik der vergangenen 10 Jahre in die Betrachtung ein, wird schnell deutlich, dass die Heterozygotie der Hunderasse überraschender Weise unabhängig von der jeweiligen Populationsgröße ist. Verhältnismäßig kleine Rassen, wie beispielsweise Shar Pei (63 Welpen pro Jahr) und Chow Chow (166 Welpen pro Jahr) weisen die gleiche Heterozygotie-Rate wie der Deutsche Schäferhund auf, der mit Welpen pro Jahr die größte Hunderasse darstellt. Mittlere Heterozygotie-Werte sind somit kein Maß zur Charakterisierung der genetischen Variabilität in der Rassehundezucht, da sie weder Informationen über die Anzahl verschiedener Allele, noch über deren Frequenz in der Population liefern. Betrachtet man die individuellen Heterozygotien in einer Rasse, so treten zum Teil sehr starke Abweichungen von der mittleren Heterozygotie-Rate der jeweiligen Rasse auf. Ferner sind Heterozygotie-Werte und Inzuchtkoeffizienten nicht immer eng korreliert, da die Berechnung letzterer sehr ungenau und ganz entscheidend von der Anzahl der Generationen abhängig ist. Durch die Untersuchung zusätzlicher Rassen konnte auch gezeigt werden, dass die Leistungszucht keine übermäßig hohe Heterozygotie-Rate erfordert. Im Rahmen der vorliegenden Studie wurden das Allel-Vorkommen und deren Frequenz für die 619 untersuchten Hunde bestimmt. Dabei variiert die Anzahl verschiedener Allele in Bezug auf die 19 Mikrosatelliten-Marker sehr stark. Im Durchschnitt kommen 23 Allele je Locus (Genort) vor; das Minimum beträgt 10 und das Maximum 40 unterschiedliche Allele. Das Vorhandensein privater Allele, d.h. von Allelen, die nur in einer Rasse vorkommen und sie damit von den anderen untersuchten Rassen unterscheiden und abgrenzen, kann zukünftig ein wichtiges Merkmal der genetischen Rassendifferenzierung sein. Insgesamt wurden ungefähr 450 verschiedene Allele bei allen an der Studie beteiligten Rassen gefunden, von denen etwa 20% private Allele darstellen. Auffällig dabei ist, dass knapp die Hälfte aller privaten Allele auf die asiatischen Hunderassen entfallen. Aber jede Rasse weist mindesten 3 private Allele auf. Das Vorkommen vieler Allele bei Mikrosatelliten in den ursprünglichen, asiatischen Rassen weist auf deren große genetische Vielfalt hin. Dieser potentiellen Variabilität wird im Zuchtgeschehen nicht hinreichend Rechnung getragen und so weisen bestimmte Allele eine sehr hohe Frequenz in der Population auf. Hier kann man klar nachvollziehen, wie in der Zucht eine Verschiebung der Variabilität hin zur Anhäufung einzelner Allele erfolgt ist. Dieses Phänomen ist z.b. beim Akita in ausgeprägter Form zu beobachten. Auch andere Rassen, wie Deutscher Pinscher, Hovawart und Deutscher Boxer besitzen einzelne, in der Population sehr häufig vorkommende Allele. In der praktischen Hundezucht konnte der

3 Aspekt der Allel-Vielfalt bisher natürlich nicht berücksichtigt werden. Dieser kann aber zukünftig eine Hilfe sein. Mit den neuen molekulargenetischen Daten wurden auch die Verwandtschaftsverhältnisse zwischen den 12 untersuchten Hunderassen analysiert. Mit Ausnahme der Tibet Terrier, Riesen- und Mittelschnauzer bilden alle Rassen geschlossene Abstammungsgemeinschaften. Allerdings findet man nur einen einzigen Tibet Terrier, der außerhalb seiner Gruppe bzw. Rasse steht, in der Nähe der Deutschen Boxer. Die anderen Tibet Terrier bilden eine homogene, abgeschlossene Gruppe. Mittel- und Riesenschnauzer besitzen nachweisbar einen gemeinsamen Genpool, aufgrund dessen Überschneidungen bei den Genotypen (Allelkonstellation[en] an einem oder mehreren genetischen Loci=Genorten) auftreten. Von den klar abgrenzbaren Rassen sind Chow Chow und Shar Pei näher miteinander verwandt als mit dem Akita. Die drei asiatischen Hunderassen zusammen stehen allen anderen gegenüber. Die Deutschen Pinscher repräsentieren auf dem anderen Ast die erste Abzweigung. Die Zwergschnauzer bilden mit den beiden anderen Schnauzer-Schlägen keine engere Verwandtschaftsgruppe, sondern sie spalten sich als zweites ab. Deutscher Boxer, Tibet Terrier, Deutscher Schäferhund und Hovawart bilden zusammen eine größere Gruppe, die dem Weimaraner gegenüber steht. Mit der vorliegenden Studie ist es uns gelungen verlässlich die aktuelle genetische Variabilität der zwölf untersuchten Hunderassen darzustellen. Das nun etablierte und validierte Typisierungssystem kann auch in anderen Rassen zur Ermittlung der verbliebenen genetischen Vielfalt verwendet werden. Vor allen Dingen bei der Zucht sollte zukünftig der Variabilität von Allelen als einem wichtigen Indikator für die genetische Vielfalt in einer Rasse mehr Augenmerk gewidmet werden. Danksagung Unser Dank geht zunächst an Frau Dr. Helga Eichelberg für die Initiative zu dieser Studie. Der Gesellschaft zur Förderung kynologischer Forschung e.v., Bonn danken wir für die finanzielle Unterstützung. Frau Dr. Gabriele Dekomien (Bochum) und Frau Virginie Lampe (Hannover) gebührt für ihre wissenschaftliche Mitwirkung großer Dank. Allen Mitgliedern der beteiligten Zuchtvereine danken wir ausdrücklich für deren Kooperationsbereitschaft, ohne deren tatkräftige Mithilfe diese Studie nicht möglich gewesen wäre. 1 Prof. Dr. Martin S. Fischer, Kathrin Streitberger Institut für Spezielle Zoologie und Evolutionsbiologie mit Phyletischem Museum Friedrich-Schiller-Universität, Erbertstr. 1, Jena 2 Prof. Dr. Ottmar Distl Institut für Tierzucht und Vererbungsforschung Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover, Bünteweg 17p, Hannover 3 Prof. Dr. Jörg T. Epplen Humangenetik Ruhr-Universität, Universitätsstr. 150, Bochum Boxentext: Hunde besitzen wie Wölfe, Coyoten und Schakale 78 Chromosomen, also Strukturen, welche die Gene tragen. Auf allen Chromosomen findet man zahlreiche Mikrosatelliten - genetische

4 Marker aus der Wüste des Erbguts. Sie bestehen aus kurzen, sich wiederholenden Sequenzmotiven von 2-6 Basen, den Grundbausteinen der DNA. Mikrosatelliten sind aufgrund der variierenden Anzahl der sich wiederholenden Grundeinheiten hoch polymorph. Eine Einteilung erfolgt meist anhand der Länge der sich tandemartig wiederholenden Basenmotive. Gesamtzahl Mikrosatelliten- Allele private Mikrosatelliten- Allele Hunderasse Weimaraner Riesenschnauzer Mittelschnauzer Zwergschnauzer Deutscher Pinscher Akita Chow Chow Shar Pei Deutscher Boxer Deutscher Schäferhund Hovawart Tibet Terrier Summe Molekulargenetisch ermittelter Stammbaum der 12 untersuchten Hunderassen.

5 Mittlere Heterozygotie der Rassen 0,80 0,70 0,60 mittlere Heterozygotie 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 Langhaar Weimaraner Riesenschnauzer Mittelschnauzer Zwergschnauzer Deutscher Pinscher Akita Chow Chow Shar Pei Deutscher Boxer Deutscher Schäferhund Hovawart Tibet Terrier Welpenstatistik (Gemittelt über 10 Jahre ( ) / Quelle: Verband für das Deutsche Hundewesen (VDH)) mittlere Heterozygotie Weimaraner (Kurzhaar ~2/3 + Langhaar ~1/3) Riesenschnauzer Mittelschnauzer Zwergschnauzer Pinscher Akita Chow Chow Shar Pei Deutscher Boxer Deutscher Schäferhund Hovawart Tibet Terrier

6 Individuelle Heterozygotie (Chow Chow) 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 C_1 C_2 C_4 C_5 C_6 C_7 C_8 C_9 C_10 C_12 C_13 C_14 C_15 C_16 C_17 C_18 C_19 C_20 C_21 C_22 C_23 C_24 C_25 C_26 C_27 C_28 C_29 C_30 C_31 C_32 C_33 C_35 C_36 C_37 C_38 C_39 C_40 C_41 C_42 C_43 C_44 C_45 C_46 C_47 C_49 C_51 C_52 C_53 C_54 C_55 C_56 Hund Mittlere Heterozygotie Individuelle Heterozygotie (Deutscher Pinscher) 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 PIN01 PIN02 PIN03 PIN04 PIN05 PIN06 PIN07 PIN09 PIN10 PIN11 PIN12 PIN13 PIN14 PIN15 PIN16 PIN17 PIN18 PIN19 PIN20 PIN21 PIN22 PIN23 PIN24 PIN25 PIN26 PIN27 PIN28 PIN29 PIN30 PIN31 PIN32 PIN33 PIN34 PIN35 PIN36 PIN37 PIN38 PIN39 PIN40 PIN41 PIN42 PIN43 PIN44 PIN45 PIN46 PIN47 PIN48 PIN49 PIN50 PIN51 PIN52 Hund Mittlere Heterozygotie