Detection of homozygous lethal mutations in small ruminants
Détection de mutations homozygotes létales chez les petits ruminants
Abstract
Genetic defects, defined as phenotypes more or less deleterious and deviating from a population, result from unique natural mutations in DNA. They are rare and hereditary. It is estimated that each individual carries 1 to 5 highly deleterious mutations in its genome. To identify a genetic defect, the conventional approach is based on the study of the deleterious phenotypes and DNA of affected individuals. The various genotyping tools, association analysis and sequencing of whole genomes make it possible to highlight the associated causal mutations. However, when the mutation is lethal, especially in the embryonic stage, DNA samples are not available. For example, in livestock, other approaches known as reverse genetics take advantage of the numerous genotyping data obtained in the context of genomic selection. Dedicated statistical analyses of these genotypes make it possible to search for regions of the genome lacking homozygous animals, thus supposed to carry lethal recessive mutations. Indeed, the lack of homozygous is explained by the early death of animals before their genotyping.The first objective of this thesis was to study the feasibility of such an approach in small ruminant populations engaged in a genomic selection program. This method has highlighted 13 independent regions (or haplotypes) only in Lacaune (LDHH) and Manech Tête Rousse (MTRDHH) sheep breeds but not in other dairy sheep or goats. The second objective was to study their effects on reproductive and production traits. Analysis of fertility and stillbirth rate characteristics confirms that some of the haplotypes detected are associated with lethality during embryonic development (LDHH1, 2 and 9 ; MTRDHH2), or around birth (LDHH3 and 6 ; MTRDHH1). The other haplotypes are assumed to lead to later mortality (MTRDHH3) or to be associated with counter-selected morphological defects. With carrier frequencies ranging from 3% to 16%, some haplotypes offer a selective advantage of heterozygous carrier rams, especially for the increased milk production of their daughters (LDHH, 3, 9 and 11 ; MTRDHH2). The third objective was to identify the underlying causal mutations in these homozygous deficient regions by analysis of whole genome sequences of heterozygous. Of the 13 haplotypes, candidate “loss of function” mutations were identified in 9 genes, ORC5 for LDHH1, IDI1 for LDHH2, PREB and GPN1 for LDHH3, CCDC65 for LDHH6, EDC3 for LDHH9, MMUT for MTRDHH1, SLC33A1 for MTRDHH2 and FCGR1A for MTRDHH3. In order to prove the lethal recessive characteristic of these mutations, at-risk mating was made by crossing heterozygous animals to generate homozygous individuals. Lethality of newborn homozygous lambs has been proven for mutations in CCDC65 and MMUT. Concerning the mutation in SLC33A1, it would cause embryonic loss in the first month of gestation. In addition, three haplotypes appear to be associated with mutations of genes already known in sheep in relation to mastitis sensitivity (SOCS2 in LDHH11), black fleece (ASIP in MTRDHH5) and the absence of horns itself related to cryptorchidism (RXFP2 in MTRDHH4).Overall, this thesis work brings new knowledge on the genetic defects existing in the ovine populations. Managing these defects through knowledge of affected phenotypes and systematic genotyping of causal mutations will improve global fertility, limit lamb mortality, and more generally will improve the health and animal welfare of these populations under selection.
Les anomalies génétiques, définies comme des phénotypes plus ou moins délétères et déviant par rapport à une population, résultent de mutations naturelles uniques dans l’ADN, rares et héréditaires. On estime que chaque individu est porteur de 1 à 5 mutations hautement délétères dans son génome. Pour identifier une anomalie génétique, l’approche classique repose sur l’étude des phénotypes délétères et de l’ADN des individus atteints. Les différents outils de génotypage, l’analyse d’association et le séquençage de génomes complets permettent de mettre en évidence les mutations causales associées. Cependant, lorsque la mutation est létale, notamment au stade embryonnaire, les échantillons d’ADN ne sont pas disponibles. Ainsi pour les animaux d’élevage, d’autres approches dites de génétique inverse, permettent de tirer parti des nombreux génotypages obtenus dans le cadre de la sélection génomique. Des analyses statistiques dédiées de ces génotypes permettent de rechercher des régions du génome en déficit d’animaux homozygotes, supposées porter des mutations récessives létales. En effet, le déficit d’homozygotes s’expliquerait par la mort précoce des animaux avant leur génotypage.Le premier objectif de cette thèse a été d’étudier la faisabilité d’une telle approche dans les populations de petits ruminants engagées dans un programme de sélection génomique. Cette méthode a permis de mettre en évidence 13 régions (ou haplotypes) indépendantes uniquement en races ovines Lacaune (LDHH) et Manech Tête Rousse (MTRDHH), mais pas dans les autres races laitières ovines ou caprines. Le deuxième objectif a été d’étudier leurs effets sur les caractères de reproduction et de production. L’analyse des caractères de fertilité et de mortinatalité permet de confirmer que certains des haplotypes détectés sont associés à de la létalité au cours du développement embryonnaire (LDHH1, 2 et 9 ; MTRDHH2), ou autour de la naissance (LDHH3 et 6, et MTRDHH1). Les autres haplotypes sont supposés conduire à de la mortalité plus tardive (MTRDHH3) ou être associés à des défauts morphologiques contre-sélectionnés. Avec des fréquences de porteurs variant de 3% à 16%, certains haplotypes offrent un potentiel avantage sélectif des béliers porteurs hétérozygotes, notamment pour la production laitière augmentée de leurs filles (LDHH, 3, 9 et 11 ; MTRDHH2). Le troisième objectif consistait à identifier les mutations causales sous-jacentes de ces régions en déficit par l’analyse des séquences de génomes entiers des hétérozygotes. Parmi les 13 haplotypes, des mutations candidates "perte de fonction" ont été identifiées dans 9 gènes, ORC5 pour LDHH1, IDI1 pour LDHH2, PREB et GPN1 pour LDHH3, CCDC65 pour LDHH6, EDC3 pour LDHH9, MMUT pour MTRDHH1, SLC33A1 pour MTRDHH2 et FCGR1A pour MTRDHH3. De façon à prouver le caractère récessif létal, des accouplements à risque ont été réalisés entre animaux hétérozygotes pour générer des individus homozygotes. La mortalité chez le jeune agneau homozygote de quelques jours a pu être prouvée pour les mutations dans CCDC65 et MMUT. Quant à la mutation dans SLC33A1, elle entraînerait une perte embryonnaire dans le premier mois de gestation. Par ailleurs, trois haplotypes semblent être associés à des mutations de gènes déjà connus chez les ovins en lien avec la sensibilité aux mammites (SOCS2 dans LDHH11), la couleur de toison noire (ASIP dans MTRDHH5) et l’absence de cornes elle-même liée à de la cryptorchidie (RXFP2 dans MTRDHH4). L’ensemble de ce travail de thèse apporte de nouvelles connaissances sur les anomalies génétiques existantes dans les populations ovines. La gestion de ces anomalies par la connaissance des phénotypes affectés et le génotypage systématique des mutations causales permettra d’améliorer la fertilité globale, de limiter la mortalité des agneaux, et plus généralement d’améliorer la santé et le bien-être des animaux de ces populations.
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