PMC

De eerste landbouwsystemen, gebaseerd op de verbouw van granen, peulvruchten en het fokken van gedomesticeerd vee, ontwikkelden zich in Zuidwest-Azië ongeveer 11.000 jaar voor Christus (YBP) (1, 2). Tegen 6.000 jaar voor Christus werd agro-pastoralisme, geïntroduceerd door de neolithische landbouwrevolutie, het belangrijkste systeem van voedselproductie in heel prehistorisch Europa, van het Middellandse-Zeegebied naar het noorden tot Groot-Brittannië, Ierland en Scandinavië (3), naar het zuiden tot in Noord-Afrika (4) en naar het oosten tot in West- en Centraal-Azië (5).

Schapen en geiten waren de eerste veesoorten die werden gedomesticeerd (6). Meerdere domesticatiegebeurtenissen, zoals afgeleid uit meerdere mitochondriale lijnen, hebben geleid tot gedomesticeerde schapen en evenzo tot andere gedomesticeerde soorten (7-10). Aanvankelijk werden schapen voornamelijk voor het vlees gefokt, maar tijdens het vijfde millennium BP in Zuidwest-Azië en het vierde millennium BP in Europa werd specialisatie voor “secundaire” producten zoals wol duidelijk. Schapen die voor secundaire producten werden geselecteerd, lijken de plaats te hebben ingenomen van primitievere huisdierpopulaties. Het is niet met zekerheid bekend of de specialisatie voor secundaire producten het eerst in Zuidwest-Azië of in heel Europa plaatsvond, omdat er geen definitieve archeologische bewijzen zijn voor het begin van de wolproductie (6, 11, 12).

In deze studie hebben we een familie van endogene retrovirussen (ERV’s) gebruikt als genetische markers om de geschiedenis van het gedomesticeerde schaap te bestuderen. ERV’s zijn het resultaat van de stabiele integratie van het retrovirusgenoom (“provirus”) in de kiembaan van de gastheer (13) en worden op een Mendeliaanse manier verticaal van generatie op generatie overgedragen. Het schapengenoom bevat ten minste 27 kopieën van endogene retrovirussen die verwant zijn aan het exogene en pathogene Jaagsiekte schapen retrovirus (enJSRV’s) (14-16). De meeste enJSRVs loci zijn bij gedomesticeerde schapen gefixeerd, maar sommige zijn differentieel verdeeld tussen rassen en individuen (d.w.z, zij zijn insertionally polymorphic) (14). enJSRVs kunnen worden gebruikt als zeer informatieve genetische markers omdat de aanwezigheid van elk endogeen retrovirus in het genoom van de gastheer het resultaat is van één enkele integratiegebeurtenis in één enkel dier en onomkeerbaar is, zodat populaties die hetzelfde provirus op dezelfde genomische plaats delen de facto fylogenetisch verwant zijn.

We analyseerden genomische DNA-monsters van 1362 dieren die behoorden tot 133 rassen van het gedomesticeerde schaap (Ovis orientalis aries, gewoonlijk Ovis aries genoemd) en naaste wilde verwanten (zie hieronder), verdeeld in 65 groepen gevormd door een of meer rassen die een gemeenschappelijke geografische locatie en/of fokrelaties delen (tabel S1) (17). De geteste monsters omvatten ook het Orial schaap (Ovis vignei), en de mediterrane en Aziatische Mouflon (Ovis orientalis musimon, Ovis orientalis ophion en Ovis orientalis orientalis). De overgrote meerderheid van de door ons bestudeerde rassen is lokaal, historisch verbonden met specifieke geografische gebieden en niet onderworpen aan de intensieve fokprogramma’s van commerciële kuddes.

De monsters werden getest op de aan- of afwezigheid van zes onafhankelijk van elkaar overervende insertionally polymorphic enJSRVs (enJSRV-18, enJSRV-7, enJSRV-8, enJSRV-15, enJSRV-16, enJS5F16) door polymerase kettingreactie (PCR) met behulp van twee sets primers die respectievelijk de 5′ en 3′ lange terminale herhalingen (LTR) van elk provirus amplificeren (inclusief de flankerende genomische DNA-sequenties van de gastheer) zoals eerder beschreven (14, 17). Provirus enJSRV-18 had veruit de hoogste frequentie in onze dataset (85%), enJSRV-7 en enJSR5F16 werden gedetecteerd in respectievelijk 27% en 30% van de monsters, terwijl enJSRV-15, enJSRV-16 en enJSRV-8 aanwezig waren in slechts 3-5% van de monsters (Fig. 1A).

Wereldwijde distributie van insertionally polymorphic enJSRVs. Verdeling van de insertionally polymorphic enJSRV loci die in deze studie zijn geanalyseerd in 65 schapenpopulaties die lokale rassen uit de oude wereld vertegenwoordigen. (A) Frequenties van elke enJSRV locus in elke populatie worden weergegeven door een verticale balk en zijn gerangschikt in aflopende volgorde. Insertiefrequenties werden verkregen met behulp van de software Arlequin 3.11 (27), waarbij de afwezigheid van een specifiek enJSRV-provirus als een recessief allel wordt behandeld. (B) Locaties van bemonsterde schapenpopulaties. (C-F). Interpolatiekaarten met de ruimtelijke verdeling van de geschatte enJSRV-frequenties. De geografische variatie werd gevisualiseerd met behulp van de “Spatial Analyst Extension” van ArcView GIS 3.2 software (ESRI, Redlands, CA, USA; http://www.esri.com). Geïnterpoleerde kaartwaarden werden berekend met behulp van de inverse distance-weighted met 12 nearest neighbours en een macht van twee, en interpolatievlakken werden verdeeld in 13 klassen, waarbij hogere insertiefrequenties werden aangegeven met de donkerste arcering. Het centrale punt van het bemonsteringsgebied werd gebruikt als geografische coördinaten voor elke populatie (Tabel S1).

Wij leidden de verspreiding van de insertionally polymorphic enJSRV loci bij de vroegste gedomesticeerde schapen af door hun voorkomen bij het Urial schaap en bij de Mediterrane/Aziatische Mouflon vast te stellen, en vervolgens door de moleculaire signaturen te verifiëren die indicatief zijn voor de leeftijd van een provirus. De geschatte divergentie tussen het Urial schaap (een van de dichtst levende verwanten van het huisdierschaap) en het huisdierschaap is ongeveer 800.000 YBP (18). Bijgevolg zal elk provirus dat tussen deze twee soorten wordt gedeeld, dateren van vóór het domesticatieproces. Hetzelfde geldt voor de Aziatische moeflon, waarvan wordt aangenomen dat het de directe voorouder is van het gedomesticeerde schaap (19-21), terwijl de nauw verwante mediterrane moeflon wordt beschouwd als het overblijfsel van het eerste gedomesticeerde schaap dat zich heeft aangepast aan het leven als verwilderd schaap (19, 22, 23). Ondanks zijn wijdverspreide verspreiding in de geteste monsters, was enJSRV-18 afwezig in het Urial schaap (n=5), de Mediterrane Mouflon (n=17) en de Aziatische Mouflon (n=15). Daarentegen werd het relatief zeldzamere enJSRV-7 gedetecteerd bij drie van de vijf Urial schapen, bij de meeste (86%) Aziatische moeflons en bij alle Mediterrane moeflons. Deze gegevens suggereren dat de integratie van enJSRV-7 in de kiembaan van de gastheer voorafgaat aan de integratie van enJSRV-18. Verschillen tussen de proximale (5′) en distale (3′) lange terminale repeats (LTR’s) van enJSRV-7 bevestigen de antecedentie ervan. De divergentie tussen de 5′ en 3′ LTR van een endogeen retrovirus geeft een schatting van de “leeftijd” van een endogeen provirus omdat retrovirussen bij infectie hun genoom reverse transcriberen van RNA naar DNA en tijdens dit proces dupliceren ze de genomische uiteinden waardoor twee identieke LTRs ontstaan. Proximale en distale LTR’s van een endogeen retrovirus moeten identiek zijn bij integratie, maar kunnen na verloop van tijd divergeren aan dezelfde snelheid als niet-coderende sequenties (~ 2,3-5 × 10-9 substituties per site per jaar). enJSRV-7 lijkt het oudste provirus in onze stalen te zijn aangezien het vijf nucleotide substituties vertoont tussen 5′ en 3′ LTRs (445nt lang), terwijl alle andere insertionally polymorphic provirussen (inclusief enJSRV-18) identieke LTRs bezitten. Deze gegevens suggereren dat de populaties afkomstig van de vroegste gedomesticeerde schapen geen van de insertionally polymorphic enJSRVs die in deze studie gebruikt werden, droegen of enJSRVs-7.

De geografische variatie van alle enJSRV loci werd gevisualiseerd door interpolatiekaarten te construeren op basis van hun insertiefrequentiewaarden (Fig. 1B-F). De hoogste frequentie van enJSRV-7 werd gevonden in de Mediterrane Mouflon en in Soay schapen die nu het eiland St. Kilda bewonen voor de kust van NW Schotland (Fig. 1C). enJSRV-18 was gelijkmatig verdeeld met zeer hoge frequenties over de hele Oude Wereld. Lage frequenties van enJSRV-18 werden waargenomen op de eilanden bewoond door de Mediterrane Mouflon en in perifere regio’s van NW Europa. Twee enJSRV-provirussen, enJS5F16 en enJSRV-8, vertoonden een gelijkaardig geografisch patroon met een hoge frequentie op de Britse Eilanden en in Scandinavië (Fig. 1E en F). De minder voorkomende enJSRV-15 en enJSRV-16 hadden minder duidelijke geografische patronen (Fig. S1).

Wij analyseerden vervolgens de combinatie van insertionally polymorphic enJSRVs (die wij ‘retrotype’ noemen) in elk van de geanalyseerde populaties (Fig. 2). Het R2 retrotype (dat alleen de aanwezigheid van enJSRV-18 vertegenwoordigt) was het overheersende retrotype in de meeste van de geteste populaties. Interessant genoeg was het R4 retrotype, dat de aanwezigheid van enJSRV-18 en enJSRV-7 samen aangeeft (Fig. 2), een ander veel voorkomend retrotype in het gebied dat overeenkomt met het historische Fenicië en in Zuid-Europa, wat suggereert dat maritieme handel en kolonisatie een grote invloed hadden op de verplaatsing van schapen in het Middellandse-Zeegebied, bevestigd door studies met mitochondriale DNA-variatie van schapen (24, 25). Bijkomende enJSRV inserties waren verantwoordelijk voor meer complexe retrotypes van populaties in Noord-Europa (zie ook ondersteunende online tekst). Schapenpopulaties in Afrika, Pakistan en China vertoonden een vergelijkbaar homogeen R2 retrotype patroon als de populaties in Zuidwest-Azië, wat directe migratieverbindingen van gedomesticeerde schapen tussen deze gebieden suggereert. De meeste populaties uit Scandinavië vertoonden soortgelijke retrotypes als de IJslandse en de Faeröer populaties, hetgeen de historisch geregistreerde verplaatsingen van de Noorse kolonisten tijdens het latere eerste millennium AD ondersteunt (26). Om de genetische verwantschap van de geteste populaties te visualiseren hebben wij de gegevens geanalyseerd met behulp van twee verschillende benaderingen: een multidimensional scaling (MDS) plot verkregen uit de interpopulatie matrix van Nei’s unbiased genetische afstanden en principale componenten analyse (PCA) berekend uit de correlatie matrix tussen enJSRV insertiefrequenties.

Combinatie van enJSRV provirussen (retrotypes) in het gedomesticeerde schaap. De cirkeldiagrammen in de figuur geven de frequentie van elk retrotype in de 65 geteste populaties weer. Aan elk getest schaap werd een retrotype toegekend op basis van de combinatie van insertionally polymorphic enJSRV-provirussen die in hun genoom aanwezig zijn. Retrotypes werden als volgt gedefinieerd: R0 tot R14: RO = geen insertionally polymorphic enJSRVs; R1 = enJSRV-7; R2 = enJSRV-18; R3 = enJS5F16; R4 = enJSRV-7 + enJSRV-18; R5 = enJSRV-7 + enJS5F16; R6 = enJSRV-18 + enJS5F16; R7 = enJSRV-7 + enJSRV-18+ enJS5F16; R8 = enJSRV-8; R9 =enJS5F16 + enJSRV-8; R10 = enJSRV-7 + enJS5F16 + enJSRV-8; R11 = enJSRV-18 + enJSRV-8; R12 = enJSRV-18 + enJS5F16 + enJSRV-8; R13 = enJSRV-7 + enJSRV-18 + enJSRV-8; R14 = enJSRV-7 + enJSRV-18 + enJS5F16 + enJSRV-8. Elk retrotype wordt weergegeven met een andere kleur (en patroon) zoals aangegeven in de figuur. Nummers naast elk taartdiagram geven elk van de 65 geteste populaties aan, zoals aangegeven in tabel S1. Merk op dat de meeste populaties in Zuidwest-Azië, Centraal-Azië, Zuid-Europa en Afrika R2 (d.w.z. aanwezigheid van alleen enJSRV-18, weergegeven in groen) als predominant retrotype hebben. Rond het Middellandse-Zeebekken is er ook een hoge proportie R4, gegeven door de hedendaagse aanwezigheid van enJSRV-7 en enJSRV-18 (getoond in geel). De primitieve rassen worden gekenmerkt door een hoog aandeel dieren met R0 (geen insertionally polymorphic proviruses, weergegeven in wit) of R1 (aanwezigheid van alleen enJSRV-7, weergegeven in rood). Een “Noords” retrotype R3 (blauw afgebeeld) werd gekenmerkt door een lage frequentie van enJSRV-18 en een hoge frequentie van enJS5F16; Noordse populaties hadden ook een relatief hoge frequentie van schapen met geen van de insertionally polymorphic provirussen die getest zijn.

De MDS-analyse bracht een duidelijke scheiding aan het licht (vooral duidelijk in de eerste dimensie) tussen de grote meerderheid van de gedomesticeerde rassen en een buitenste groep die werd gevormd door de Mouflon, Soay-schapen, Hebrideans, Orkney-schapen, IJslandse en Noordse rassen (figuur 3A). Vergelijkbare resultaten werden verkregen met PCA (figuur 3B). Samengevat wijzen de verkregen gegevens erop dat relicten van de eerste migraties nog steeds aanwezig zijn in de Mouflon van Sardinië, Corsica en Cyprus en in rassen in perifere Noord-Europese gebieden. Op basis van hun retrotypes worden deze primitieve populaties gekarakteriseerd door de afwezigheid van enJSRV-18 (gefixeerd in de meeste moderne rassen) en ofwel de aanwezigheid van enJSRV-7 in hoge frequentie of het ontbreken van insertioneel polymorfe enJSRVs (inclusief enJSRV-7). Daarentegen clusteren de retrotypes van de grote meerderheid van schapenrassen en worden zij gekenmerkt door de hoge frequentie of fixatie van enJSRV-18.

Genetische afstanden tussen schapenpopulaties op basis van enJSRVs insertiefrequenties. (A) Multidimensionaal (MDS) schalingsdiagram berekend uit de matrix van Nei’s unbiased genetische afstanden (TFPGA 1.3 software) (28). De dominante aard van de enJSRVs als genetische markers werd in alle analyses in aanmerking genomen. De matrix van interpopulatie afstanden werd samengevat in twee dimensies door gebruik te maken van MDS analyse zoals geïmplementeerd door het STATISTICA ’99 softwarepakket (StatSoft Inc., Tulsa, OK, USA). Elke driehoek vertegenwoordigt één van de 65 geteste populaties. Merk op dat in de grafiek alleen de populaties buiten de hoofdcluster (ingesloten in het vierkant met de onderbroken lijn en met inbegrip van de grote meerderheid van rassen uit Afrika, Azië en Europa) zijn genoemd. (B) Driedimensionale plot met een samenvatting van de gegevens verkregen door principale componentenanalyse (PCA) van de insertionally polymorphic enJSRV-provirussen in de 65 geteste schapenpopulaties met behulp van de Proc Factor van het statistische pakket SAS/STAT® (SAS Institute Inc, Cary NC) volgens de aanbevelingen van Cavalli-Sforza et al. (29). Vier factoren, goed voor 86,66% van de variatie, met een eigenwaarde ≥ 1 werden geïdentificeerd. Factor 1 (op de X-as), verklaarde 30,09% van de variatie en kan worden geïnterpreteerd als de “Noordzee-factor”, die een onderscheid maakt tussen een groep populaties gevormd uit een aantal schapenpopulaties in het VK en op het Europese vasteland (inclusief Denemarken en Texel) en de andere. Factor 2 (op de Y-as), die 23,58% van de variatie verklaart en de Texel-populatie van de rest scheidt. Factor 3 (op de Z-as) verklaart 22,92% van de variatie en kan worden geïnterpreteerd als de “primitieve rasfactor”, die de groep populaties gevormd door de moeflon- en Scandinavische populaties (met inbegrip van de Hebridean-, Orkney- en Soay-populaties) onderscheidt van de rest. Om de figuur duidelijker te maken, zijn de populaties die de hoofdcluster vormen niet bij naam genoemd.

De homogene retrotypen (R2, R2-R4) die we hebben waargenomen bij de schapen van het huidige Turkije, Iran, Saoedi-Arabië, Syrië, Israël en Egypte, in combinatie met het beschikbare archeologische bewijsmateriaal, suggereren dat selectie van gedomesticeerde schapen met de gewenste secundaire kenmerken die de moderne rassen gemeen hebben, eerst in Zuidwest-Azië heeft plaatsgevonden en zich vervolgens met succes in Europa en Afrika, en de rest van Azië, heeft verspreid. Dit kan genetische ondersteuning bieden voor de theorie dat gespecialiseerde wolproductie ontstond in Zuidwest-Azië en zich vervolgens over Europa verspreidde (11). De primitieve rassen overleefden de tweede migratie van verbeterde rassen uit Zuidwest-Azië door terug te keren naar een verwilderde of semi-verwilderde staat op eilanden zonder roofdieren of door ontoegankelijke gebieden in te nemen die minder vatbaar waren voor commerciële uitwisselingen en de daarmee gepaard gaande introgressie. De meeste, zo niet alle rassen die wij als van oude oorsprong hebben geïdentificeerd, werden reeds als primitief beschouwd op grond van morfologische kenmerken zoals een donkerder en grover beharing (in plaats van een wittere wolvacht), een ruiende vacht en de frequente aanwezigheid van hoorns bij zowel de wijfjes als de mannetjes (Fig. 4).

>

Morfologische kenmerken van primitieve rassen. De rassen die in deze studie zijn geïdentificeerd als overblijfselen van de eerste schaapmigraties, vertonen morfologische kenmerken (zoals donkerder grovere vacht, ruiende vacht, frequente aanwezigheid van hoorns bij vrouwelijke dieren), die vergelijkbaar zijn met die van wilde schapen en de Mouflon. (A) Urial schaap; (B) Cyprus Mouflon; (C) Middellandse Zee Mouflon; (D) Orkney schaap; (E) Soay schaap; (F) Gute schaap; (G) Åland schaap; (H) IJslands schaap; (I) Hebridean schaap.

Onze studie levert ook genetisch bewijs dat de anekdotische oorsprong van sommige minder voorkomende schapenrassen ondersteunt. Zo vertoonde een van de 10 geanalyseerde populaties van de Britse eilanden, het Jacob-schaap, een homogeen R2-retrotype dat sterk verschilde van de andere Britse populaties en meer leek op de Zuidwest-Aziatische en Afrikaanse rassen. De oorsprong van het Jacob-schaap is onbekend. Dit ras dankt zijn naam aan het Bijbelse verhaal van Jakob die “elk gespikkeld en gevlekt schaap” als loon aannam van zijn schoonvader Laban (Genesis 30:25-43; waarschijnlijk de eerste geregistreerde toepassing van selectief fokken in de veeteelt). Onze retrotype-analyse ondersteunt een direct verband tussen het Jacob-schaap en rassen in Zuidwest-Azië of Afrika in plaats van andere Britse rassen. Onze studie legt ook een sterk verband tussen het Soay schaap en de mediterrane en Aziatische Mouflon in plaats van de Scandinavische rassen.

Concluderend, de polymorfe aard van enJSRVs onthulde een opmerkelijke secundaire populatie-expansie van verbeterde gedomesticeerde schapen, hoogstwaarschijnlijk vanuit Zuid-West Azië, en verschafte waardevolle inzichten in de geschiedenis van pastoralistische samenlevingen waarvan de economie de schapenhouderij omvatte. Door voor het eerst genetisch primitieve rassen te onderscheiden van moderne, biedt onze studie een rationale voor het identificeren en bewaren van zeldzame genenpools. Tenslotte tonen we het nut aan van endogene retrovirussen als een nieuwe klasse van genetische markers die gebruikt worden om de geschiedenis van een gedomesticeerde soort te ontrafelen.

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd.