Abstract :
[en] De novo mutation (dnm) in the germline is a fundamental biological process that is the source of all population genetic variation. In this thesis, we have exploited the unique population structure of cattle to select pedigrees of three (parents, proband and >1 grand-offspring) and four (plus grandparents) generations to identify and characterise germline dnm. We have also looked at the impact of recent dnms on the genetic load of the cattle population, using forward and reverse genetics to identify the causative mutations responsible for major defects in cattle populations including embryonic lethality.
In the first study, we utilised five pedigrees to identify SNP and small insertion-deletion (INDEL) dnms, assign them to a parent of origin and determine the stage of development at which they occurred. We determined the dnm rate in cattle to be ~1.2x10-8 per base pair per generation, with 2.5 paternal dnms for each maternal dnm. We showed that 30% and 50% of the dnms in sperm and eggs respectively are mosaic in the parental DNA, occurring early in embryonic development. By simulation we show that this is incompatible with a constant mutation rate through gametogenesis and best fits a 20x higher mutation rate for the first four cell divisions of the fertilised egg. This paper is currently in review with a preprint available on BioRxiv (Harland et al. 2017a).
In a second study, we looked at the rate of dnm in the wider population and for the presence of inter- individual variation in the rate. We utilised the complete Damona dataset of 131 three generation pedigrees identifying ~7,500 dnms, confirming the previously observed degree of mosaicism and our dnm rate of 1.2x10-8 per bp per generation in a wider sample. We observe several outliers in the population, with 5-17x the average number of dnms occurring during embryo development, along with distinct mutational signatures. For one outlier pedigree, we identified two candidate causative mutations that are in the process of characterising. In addition, we detect a significant environmental effect from the use of reproductive technologies, such as in vitro fertilisation and maturation, on the rate of dnm during early embryo development. (Harland et al. 2017b, in preparation).
In the third study, we turned our attention to alternative forms of dnm. Utilising the full dataset, we identified five cases of de novo transposition of an endogenous retrovirus family K (ERVK) element, with three of the five events occurring within the germ-line of a single individual, and two of the three in the same gamete. This indicates that the ERVK family is presently active in the bovine genome with an average de novo transposition rate of ~1 event per 50 gametes, but there is strong evidence for considerable inter-individual variation. We identified ~1,600 polymorphic ERVs resulting from the activity of these elements in the cattle population. One recent de novo transposition of an ERVK element in the APOB gene is responsible for the lethal monogenic Cholesterol Deficiency disorder in cattle. This transposition has reached a minor allele frequency (MAF) of 2.8% in the European population (Harland et al. 2017c, in preperation).
In a fourth study, we describe a dominant deleterious missense dnm in the Prolactin gene (PRL) that caused heat stress, abnormal hair growth and a failure to milk in ~2,000 affected offspring of a single
bull. This set of phenotypes is opposite to those observed in ‘slick’ cattle, which show increased heat tolerance, short hair and potentially increased milk production. We demonstrate that the slick phenotype in Senepol cattle is due to a dominant frameshift mutation in the Prolactin receptor gene, and is an example of a beneficial variant that has undergone positive selection within a population (Littlejohn et al. 2014). The large number of affected cattle for the PRL mutation demonstrates how a rare dnm can rapidly increase in frequency within a population when it is present in an elite sire used for artificial insemination.
For examples of other recent dnms, we turned to the Belgian Blue population and investigated recessive junctional epidermolysis bullosa. This lead to the identification of a breed specific, premature stop-gain mutation in the laminin, alpha 3 gene with a MAF of 1%, thus allowing the development of a direct genetic test for the disorder (Sartelet & Harland et al. 2015).
We then used whole genome sequences (WGS) obtained on Illumina HiSeq’s to search for embryonic lethal (EL) mutations segregating in the New Zealand dairy and Belgian Blue beef cattle populations using a reverse genetic approach. We genotyped >40,000 cattle for 296 loss of function (LOF) and 3,483 potentially deleterious missense variants that were breed specific, and identified variants with a significant deficiency in homozygous mutant animals. Nine of these variants were confirmed to be EL by genotyping 200 carrier x carrier trios and demonstrating the absence of homozygous offspring. The MAF of these variants was between 1.2% and 6.6%. We estimate that 15% of the tested LOF and 6% of the missense events are EL reducing the fertility of dairy cattle (Charlier et al. 2016).
[fr] Les évènements mutationnels de novo au sein de la lignée germinale constituent un processus biologique fondamental, ils sont la source principale de toute nouvelle variation génétique. Au cours de cette thèse, nous avons tiré parti de la structure particulière des populations bovines (larges familles de demi- frères/sœurs) pour identifier puis caractériser les mutations de novo (dnms) dans la lignée germinale. Nous avons également étudié l’impact phénotypique de certaines de ces récentes mutations en utilisant à la fois des approches de type clonage positionnel et de génétique dite réverse pour identifier les mutations causales d’une série de caractères d’intérêt agronomique chez le bovin, allant de la fertilité au type de pelage.
Dans une première étude pilote, nous avons exploité les données de séquence ‘génome entier’ (WGS) de cinq pedigrees multi-générationnels pour identifier les dnms (de type SNP ou petites insertions/délétions), leur attribuer une origine parentale et déterminer le stade de développement auquel elles se sont produites. Nous avons ainsi estimé un taux moyen de mutations de novo chez le bovin à ~1.2X10-8, par paire de bases et par génération, avec un biais d’origine en faveur du père de 2,5 fois. Nous avons démontré que respectivement 30% et 50% des dnms présentes dans le sperme ou les oocytes sont mosaïques dans l’ADN parental, elles sont donc apparues lors du développement embryonnaire précoce du parent. Des simulations ont montré qu’un taux de dnms constant au cours du développement ne permettait pas d’expliquer ces observations, et qu’une augmentation du taux de mutations de ~20X lors des quatre premières divisions cellulaires de l’œuf fécondé était requise. Ce manuscrit est en cours de révision et une version initiale est disponible dans BioRxiv (Harland et al., 2017a).
La seconde étude s’est attachée à renforcer et valider ces conclusions préliminaires à l’aide d’un data set étendu, ainsi qu’à quantifier d’éventuelles variations interindividuelles du taux mutationnel. Pour ce faire, un large pedigree (Damona) composé de 131 familles a été analysé. Un total de ~7.500 dnms ont été identifiées, caractérisées et classifiées, ce qui a confirmé le degré élevé de mosaïcisme initialement observé, ainsi que le taux moyen de mutations de novo chez le bovin. Une poignée d’individus extrêmes arborant un nombre significativement plus élevé de mutations apparues durant leur développement embryonnaire précoce ont été repérés. Chacun présente une signature mutationnelle unique. Au moins deux gènes et variations candidates sont actuellement suivis pour tenter d’expliquer ces taux mutationnels extrêmes. Enfin, la mise en évidence d’un effet significatif des technologies reproductives utilisées démontre qu’elles influencent le taux mutationnel lors du développement précoce de l’embryon qui y est soumis (Harland et al., 2017b).
La troisième étude a visé d’autres catégories d’évènements de novo, à savoir la mobilisation des éléments transposables du génome et, en particulier, les éléments rétroviraux endogènes (ERV). Exploitant le même pedigree, cinq évènements de novo de transposition d’ERV, tous issus de la famille ERVK, ont été identifiés. Remarquablement, trois de ces évènements se sont produits dans la lignée
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germinale d’un même taureau et deux été transmis par le même gamète. Cela indique que la famille ERVK est encore active dans le génome bovin et on peut ainsi estimer le taux de transposition de novo à ~1 événement par 50 gamètes, avec toutefois une grande variation interindividuelle. En outre, nous avons établi un catalogue de ~1.600 ERVs polymorphes qui ségrégent dans les populations bovines étudiées. Ils résultent de l’activité récente de ces éléments. L’un de ces événements a touché la partie codante du gène APOB, il est responsable d’une maladie récessive létale, caractérisée pas une déficience en cholestérol sanguin. Cette mutation est présente en race laitière Holstein à une fréquence de 2,8% et est maintenant activement contre-sélectionnée (Harland et al., 2017c).
La quatrième étude décrit deux mutations de novo dominantes à effet phénotypique opposé. La première est une mutation non-synonyme dans le gène de la prolactine (PRL). Cette mutation cause une diminution de la résistance à la chaleur, l’apparition d’un pelage hirsute et a un impact négatif sévère sur la production laitière. Les ~2.000 descendants atteints sont issus d’un seul taureau, mosaïque germinale pour la mutation. Cela illustre comment une mutation délétère peut très rapidement émerger lorsqu’elle se produit chez un taureau d’élite largement disséminé grâce à l’insémination artificielle. La seconde mutation introduit un décalage de la phase de lecture dans le gène du récepteur à la prolactine (PRLR), elle est responsable d’une collection de phénotypes opposés aux précédents (pelage ras, résistance à la chaleur,...). C’est ici un exemple de mutation à effet bénéfique qui a été sélectionnée et fixée dans des races bovines tropicales (Littlejohn et al., 2014).
D’autres occurrences de mutations de novo délétères ont été décrites en race Blanc-Bleu belge (BBB), la plus récente étant une mutation qui introduit un codon stop prématuré dans le gène de la laminine alpha 3 (LAMA3), elle y est responsable d’une épidermolyse jonctionnelle bulleuse récessive létale. Les porteurs sont maintenant identifiés en routine grâce au test génétique développé (Sartelet, Harland et al., 2015).
Enfin, des données de WGS, en populations laitière Néozélandaise et BBB, ont été exploitées dans des études dites réverses (allant du génome et de la mutation au phénotype) pour identifier et valider neuf mutations, létales pour l’embryon homozygote, et ayant des fréquences de 1,2 à 6,6%. Nous avons démontré que, collectivement, ces mutations avaient un impact négatif non-négligeable sur la fertilité de ces races. Cette information est mise à profit dans des programmes de conseil d’accouplements afin d’éviter les croisements à risque (Charlier et al., 2016).
