Identifying Genetic Risk Factors in Canine Autoimmune Disorders

Autoimmune diseases are more common in dogs than in humans and are already threatening the future of some highly predisposed dog breeds. Susceptibility to autoimmune diseases is controlled by environmental and genetic factors, especially the major histocompatibility complex (MHC) gene region. Dogs show a similar physiology, disease presentation and clinical response as humans, making them an excellent disease model for autoimmune diseases common to both species. The genetic background of canine autoimmune disorders is largely unknown, but recent annotation of the dog genome and subsequent development of new genomic tools offer a unique opportunity to map novel autoimmune genes in various breeds. Many autoimmune disorders show breed-specific enrichment, supporting a strong genetic background. Furthermore, the presence of hundreds of breeds as genetic isolates facilitates gene mapping in complex autoimmune disorders. Identification of novel predisposing genes establishes breeds as models and may reveal novel candidate genes for the corresponding human disorders. Genetic studies will eventually shed light on common biological functions and interactions between genes and the environment. This study aimed to identify genetic risk factors in various autoimmune disorders, including systemic lupus erythematosus (SLE)-related diseases, comprising immune-mediated rheumatic disease (IMRD) and steroid-responsive meningitis arteritis (SMRA) as well as Addison s disease (AD) in Nova Scotia Duck Tolling Retrievers (NSDTRs) and chronic superficial keratitis (CSK) in German Shepherd dogs (GSDs). We used two different approaches to identify genetic risk factors. Firstly, a candidate gene approach was applied to test the potential association of MHC class II, also known as a dog leukocyte antigen (DLA) in canine species. Secondly, a genome-wide association study (GWAS) was performed to identify novel risk loci for SLE-related disease and AD in NSDTRs. We identified DLA risk haplotypes for an IMRD subphenotype of SLE-related disease, AD and CSK, but not in SMRA, and show that the MHC class II gene region is a major genetic risk factor in canine autoimmune diseases. An elevated risk was found for IMRD in dogs that carried the DLA-DRB1*00601/DQA1*005011/DQB1*02001 haplotype (OR = 2.0, 99% CI = 1.03-3.95, p = 0.01) and for ANA-positive IMRD dogs (OR = 2.3, 99% CI = 1.07-5.04, p-value 0.007). We also found that DLA-DRB1*01502/DQA*00601/DQB1*02301 haplotype was significantly associated with AD in NSDTRs (OR = 2.1, CI = 1.0-4.4, P = 0.044) and the DLA-DRB1*01501/DQA1*00601/DQB1*00301 haplotype with the CSK in GSDs (OR=2.67, CI=1.17-6.44, p= 0.02). In addition, we found that homozygosity for the risk haplotype increases the risk for each disease phenotype and that an overall homozygosity for the DLA region predisposes to CSK and AD. Our results have enabled the development of genetic tests to improve breeding practices by avoiding the production of puppies homozygous for risk haplotypes. We also performed the first successful GWAS for a complex disease in dogs. With less than 100 cases and 100 controls, we identified five risk loci for SLE-related disease and AD and found strong candidate genes involved in a novel T-cell activation pathway. We show that an inbred dog population has fewer risk factors, but each of them has a stronger genetic risk. Ongoing studies aim to identify the causative mutations and bring new knowledge to help diagnostics, treatment and understanding of the aetiology of SLE-related diseases.

Autoimmuunisairaudet vaikuttavat oleellisesti koirien hyvinvointiin ja osa roduista on erityisen alttiita tietyille sairauksille, mikä viittaa perinnöllisten riskitekijöiden merkittävään vaikutukseen. Autoimmuunisairauksissa yksilön oma immuunipuolustusjärjestelmä hyökkää yksilön omaa kudosta vastaan ja taudin puhkeamiseen vaikuttavat usein sekä ympäristötekijät, että lukuisat perinnölliset riskitekijät, joista yleisin on major histocompatibility complex (MHC) geenialue (koirilla dog leukocyte antigen, DLA). Koirat kärsivät samoista perinnöllisistä sairauksista kuin ihmiset ja niiden puhkeamiseen vaikuttavat usein samat geenit ja signaalireitit. Koiraa voidaan siis käyttää mallintamaan myös ihmisten sairauksia. Koiran genomin emäsjärjestyksen selvittäminen, uudet tutkimuksen työkalut ja sadat geneettisesti erilaistuneet koirarodut mahdollistavat monitekijäisten sairauksien geenikartoituksen. Uusien alttiusgeenien löytäminen auttaa ymmärtämään myös yleisiä biologisia toimintoja ja geenien ja ympäristön vuorovaikutussuhteita. Tutkimuksen tarkoituksena oli tunnistaa perinnöllisiä riskitekijöitä seuraavien koirien autoimmuuniperäisten sairauksien taustalla: Novascotiannoutajien systemic lupus erythematosus (SLE)-tyyppinen sairaus, johon kuuluvat reumaattinen muoto (immune-mediated rheumatic disease, IMRD) ja steriili aivokalvontulehdus (steroid-responsive meningitis arteritis) sekä samalla rodulla esiintyvä Addisonin tauti ja saksanpaimenkoirilla yleisimmin esiintyvä silmäsairaus, pannus eli krooninen pinnallinen keratiitti (chronic superficial keratitis). Selvitimme DLA-alueen kolmen ehdokasgeenin DRB1, DQA1 ja DQB1 alleelit ja niiden muodostamat haplotyypit. Tunnistimme kolme riskihaplotyyppiä, jotka altistavat SLE-tyyppisen sairauden reumaattiseen muotoon, Addisonin tautiin tai pannukseen (OR=2.0 - 2.67) ja osoitimme MHC luokan II alueen olevan merkittävä riskitekijä myös koirien autoimmuunisairauksien taustalla. Lisäksi havaitsimme riskihaplotyypin homotsygotian lisäävän sairastumisriskiä huomattavasti (OR=4.9 8.9) ja yleisen, haplotyypistä riippumattoman DLA-alueen homotsygotian altistavan pannukselle (OR=4.37) ja Addisonin taudille (OR=6.7). Tutkimustuloksemme mahdollistavat geenitestit yhtenä osana jalostussuunnitelmia riskihaplotyypin suhteen homotsygoottisten pentueiden välttämiseksi. Teimme myös ensimmäisen menestyksekkään genominlaajuisen geenikartoituksen koirien monitekijäiseen sairauteen. Paikansimme viisi kromosomialuetta, jotka vaikuttavat SLE-tyyppiseen sairauteen ja Addisonin tautiin vertaamalla lähes 100:n sairaan ja 100 terveen kontrollikoiran perimää keskenään. Tunnistimme useita lupaavia ehdokasgeenejä, kuten DAPP1, PPP3CA, BANK1, SNRPE, VRK1, PTPN3 ja HOMER2, sekä uuden T-solujen aktivointireitin. Osoitimme myös, että sisäsiittoinen koirapopulaatio on erinomainen eläinmalli monitekijäisten sairauksien geenitaustan selvittämiseksi.