Introduzione

Il periodo di bilancio energetico negativo che si verifica dopo il parto comporta uno squilibrio tra l’apporto ed il fabbisogno di glucosio. Di conseguenza, il tessuto adiposo viene mobilizzato e gli acidi grassi vengono convertiti in corpi chetonici, specialmente in acetone e BHB (David Baird, 1982). Dal punto di vista fisiologico, i chetoni sono carburante per il cervello, il cuore e per l’attività muscolare, ma eccessivi livelli corporei di chetoni possono indurre una patologia metabolica definita chetosi (KET). Per quanto riguarda l’allevamento, la KET è responsabile di notevoli perdite economiche che sono legate al suo coinvolgimento nella comparsa di altre patologie, alla diminuzione della produzione di latte durante la lattazione ed all’aumento delle spese veterinarie (Berg et al., 2002; Mostert et al., 2018). Nella maggior parte degli studi genetici e genomici, sono stati presi in considerazione putativi casi clinici di KET binaria (il produttore registrava o le vacche sane o quelle malate), questo perché i casi clinici sono più facili da rilevare rispetto ai casi sub-clinici senza segni visibili (Parker Gaddis et al., 2018). Tuttavia, un’ulteriore presa in considerazione dei casi sub-clinici di KET durante le analisi genetiche e genomiche potrebbe contribuire a migliorare l’accuratezza della previsione dei tratti genetici, viste le maggiori incidenze. L’incidenza della KET clinica era inferiore al 2%, ma ad un gran numero di vacche è stata diagnosticata la KET sub-clinica (fino al 47%; Berge e Vertenten, 2014; Vanholder et al., 2015). Inoltre, la KET sub-clinica era fortemente correlata al manifestarsi di patologie molto dispendiose e ad una diminuzione della produzione di latte (Suthar et al., 2013). Tuttavia, va detto che per il rilevamento della KET sub-clinica, è necessario raccogliere dati su specifici parametri, tra cui le concentrazioni di chetoni (acetone o BHB) nel sangue o nel latte (van Knegsel et al., 2010). Le correlazioni fenotipiche tra le concentrazioni di chetoni nel sangue e nel latte erano molto forti per l’acetone (0.96) e moderate per il BHB (0.66; Enjalbert et al., 2001). La correlazione fenotipica tra l’acetone nel latte ed il BHB nel latte era di 0.68 (Enjalbert et al., 2001). Santschi et al. (2016) hanno valutato la spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FTIR) come metodica per il rilevamento di corpi chetonici nel latte. La spettroscopia a infrarossi a trasformata di Fourier è un’alternativa economica, veloce ed affidabile all’analisi dei chetoni presenti nel sangue e può essere inserita nel processo routinario di registrazione mensile dei parametri del latte (Santschi et al., 2016). Grelet et al. (2016) hanno utilizzato la FTIR per prevedere le concentrazioni di BHB e di acetone nel latte. L’accuratezza delle previsioni era piuttosto ampia con il 71% e il 73%, rispettivamente. Per quanto riguarda gli studi genetici quantitativi sulle vacche Frisone, la correlazione genetica tra le misurazioni della KET effettuate dall’allevatore e le misurazioni effettuate con FTIR sul latte il primo giorno di test era di 0.70 per il BHB (Koeck et al., 2016). Nelle vacche Frisone, Lee et al. (2016) hanno stimato l’ereditabilità per il BHB e l’acetone (individuati tramite FTIR nel latte) in ordini di parto da 1 a 3. Le stime dell’ereditabilità ad inizio lattazione erano comprese tra 0.04 e 0.10 per il BHB e tra 0.05 e 0.18 per l’acetone, a seconda del numero di lattazioni. Häggman et al. (2019) hanno anche stimato una bassa ereditabilità dello 0.07 per entrambi i parametri del BHB del latte tramite modelli lineari e dello 0.12 tramite modelli soglia sulla scala di valori. Weigel et al. (2017) hanno utilizzato dati sul pedigree e sui marcatori SNP ed hanno stimato un’ereditabilità di 0.07 per il BHB nel sangue. Le stime dell’ereditabilità per la KET binaria erano piccole in un intervallo da 0.01 a 0.08 (Belay et al., 2017; Parker Gaddis et al., 2018; Freebern et al., 2020). Durante le analisi genetiche molecolari, Kroezen et al. (2018) si sono concentrati sull’individuazione di potenziali geni candidati per individuare la KET registrata dagli allevatori, ed hanno identificato 6 geni capaci di influenzare il metabolismo dei lipidi, del glucosio e la chetogenesi. Kroezen et al. (2018) hanno condotto uno studio caso-controllo per la KET binaria, ma hanno anche discusso la ridotta potenza statistica di un tale progetto per il BHB nella distribuzione gaussiana. Freebern et al. (2020) hanno eseguito un GWAS e un’accurata mappatura per identificare i potenziali geni candidati correlabili ai tratti della malattia nei bovini di razza Frisona. Hanno individuato un segmento importante (che comprendeva il gene DGAT1) su BTA 14 per KET. Un primo GWAS per il BHB (rilevato tramite FTIR nel latte) è stato condotto da Nayeri et al. (2019). Hanno individuato marcatori SNP significativamente correlati su BTA 6, 14 e 20. Lo SNP identificato su BTA 14 si trovava all’interno del gene DGAT1. Il DGAT1 è un gene candidato capace di influenzare la risposta infiammatoria ed il metabolismo dei lipidi nei bovini da latte (Mach et al., 2012). Fino ad oggi, alcuni studi hanno trattato separatamente le correlazioni fisiologiche, genomiche e della genetica quantitativa esistenti per BHB, acetone e KET. Tuttavia, per una comprensione più approfondita, sembrerebbe fondamentale studiare i meccanismi fisiologici su scale differenti (cioè fenotipicamente, geneticamente e genomicamente), utilizzando simultaneamente lo stesso set di dati appartenenti alla bovina.

Di conseguenza, lo scopo di questo studio era quello di dedurre l’esistenza di correlazioni statistiche, genomiche e di genetica quantitativa tra la KET clinica binaria e le concentrazioni di acetone e di BHB nel latte (individuate tramite FTIR) durante il primo giorno di test nelle vacche di razza Frisona. Un altro obiettivo era quello studiare le associazioni tra acetone, BHB e KET con i parametri del giorno del test a partire dalle prime fasi della lattazione.

In questo contesto: sono stati applicati dei modelli misti lineari generalizzati per studiare le correlazioni tra i tratti fenotipici, sono state stimate le componenti della (co)varianza genetica, è stato eseguito un GWAS basandoci sui dati relativi ai marcatori SNP per acetone e BHB nel latte ed sono stati individuati i potenziali geni candidati capaci di influenzare le vie metaboliche.

Abstract

La chetosi è un disturbo metabolico di crescente importanza nelle vacche da latte ad alto rendimento, ma è difficile effettuare un’accurata valutazione binaria dei tratti della salute a livello di popolazione. In questo contesto, sono necessari adeguati indicatori gaussiani, che possono essere misurati di routine nel latte. Quindi questo lavoro si è concentrato sui corpi chetonici acetone e β-idrossibutirrato (BHB), misurati mediante spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FTIR) nel latte. Nel presente studio 62.568 vacche di razza Frisona, provenienti da mandrie di cooperative tedesche, sono state fenotipizzate per la chetosi clinica (KET) sulla base di una diagnosi veterinaria. Un sotto campione costituito da 16.861 vacche è stato sottoposto ad un ulteriore monitoraggio nel primo giorno di test per quanto riguardava i valori di acetone e BHB ottenuti mediante FTIR. Le associazioni tra acetone e BHB (rilevati tramite FTIR) con la KET e con i parametri del giorno del test sono state studiate fenotipicamente e dal punto di vista della genetica quantitativa. Inoltre, sono stati osservati gli effetti dei marker SNP per acetone e BHB (applicazione di studi di associazione sull’intero genoma) sulla base di 40.828 marker SNP da 4.384 vacche genotipizzate, e sono stati studiati i potenziali geni candidati nell’influenzare la mobilizzazione del grasso corporeo. Sono stati utilizzati modelli lineari generalizzati ad effetti misti per desumere l’influenza della KET sull’acetone e sul BHB della distribuzione gaussiana (definizione di una funzione d’identità) e viceversa, così come l’influenza dell’acetone e del BHB sulla KET (definizione di una funzione di collegamento logit). Inoltre, sono stati applicati modelli lineari per studiare le associazioni tra BHB, acetone e parametri del giorno di test (produzione di latte, percentuale di grasso, percentuale di proteine, rapporto grasso-proteine e punteggio delle cellule somatiche) partendo dal primo giorno di test fino a dopo il parto. Un aumento dell’incidenza della KET era statisticamente significativo quando associato all’aumento delle concentrazioni di acetone e BHB nel latte misurate con FTIR. Le concentrazioni di acetone e BHB erano associate positivamente alla percentuale di grasso, al rapporto grasso-proteine ed al punteggio delle cellule somatiche. Sono stati applicati modelli animali lineari bivariati per stimare i componenti della (co)varianza genetica per KET, acetone, BHB ed i parametri del giorno del test in un ordine di parto da 1 a 3 e considerando simultaneamente tutti gli ordini di parto nei modelli di ripetibilità. L’ereditabilità basata sul pedigree era piuttosto piccola (cioè in un intervallo da 0.01 nell’ordine di parto 3 a 0.07 nell’ordine di parto 1 per l’acetone e da 0.03 a 0.04 per il BHB). Le ereditabilità dai modelli di ripetibilità erano 0.05 per l’acetone e 0.03 per il BHB. Le correlazioni genetiche tra acetone e BHB risultavano, da moderate a grandi, all’interno dell’ordine dei parti, considerando tutti gli ordini di parto contemporaneamente (0.69-0.98). Le correlazioni genetiche di acetone e BHB con KET ottenuta a differenti ordini di parto variavano da 0.71 a 0.99. Le correlazioni genetiche tra acetone (in tutti gli ordini di parto) e BHB (in tutti gli ordini di parto) variavano da 0.55 a 0.66. Le correlazioni genetiche tra KET, acetone e BHB con il rapporto grassi-proteine e con la percentuale di grasso erano elevate e positive, ma apparivano negative rispetto alla produzione di latte. Negli studi di associazione sull’intero genoma, sono stati individuati SNP su BTA 4, 10, 11 e 29 che influenzavano significativamente l’acetone e su BTA 1 e 16 che influenzavano significativamente il BHB.

I potenziali geni candidati identificati NRXN3, ACOXL, BCL2L11, HIBADH, KCNJ1 e PRG4 partecipano alle vie del metabolismo dei lipidi e del glucosio.

 

Articolo tratto da: Genetic and nongenetic profiling of milk β hydroxybutyrate and acetone and their associations with ketosis in Holstein cows

S.-L. Klein, C. Scheper, K. May, and S. König*

Institute of Animal Breeding and Genetics, Justus Liebig University Giessen, 35390 Gießen, Germany

*Autore corrispondete: sven.koenig@agrar.uni-giessen.de

J. Dairy Sci. 103:10332–10346

https://doi.org/10.3168/jds.2020-18339

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