Genetische Krankheitsresistenz

Klinikum
Veterinärmedizin
Genetische
Krankheitsresistenz
Gerald Reiner
Infektionskrankheiten:
Auswirkungen auf Leistung, Qualität,
Verbraucherschutz und Tierschutz!
• Therapie
– zu spät
– weitere Einbußen
– Rückstandsproblematik
• Prophylaxe
–
–
–
–
–
im Vorfeld von Krankheiten
Arzneimittel: verboten
Haltung: ökonomische Zwänge
Impfung: Impfstoff vorhanden?
Seuchenhygiene: Keulung?
1
Prophylaxe erster Wahl:
resistentere Schweine
krankheitsresistente
Tiere - absolut / relativ
↓ Erregervermehrung
↓ Krankheitsgrade
↓ Erregerausscheidung
geringere Tierverluste
höhere Leistungen
günstigere Produktqualität
geringerer
Infektionsdruck =
verbesserte
Hygiene
Verbraucherschutz
Verbraucherakzeptanz
Ökonomie
Tierschutz
Praktische Bedeutung der
Krankheitsresistenz bei Nutztieren
•• Coccidien
Coccidien beim
beim Huhn
Huhn
•• Trypanosomen
Trypanosomen beim
beim Rind
Rind
•• Zecken
Zecken beim
beim Rind
Rind
•• Magen-Darm-Nematoden
Magen-Darm-Nematoden
beim
beim Schaf
Schaf
2
Praktische Bedeutung der
Krankheitsresistenz bei Nutztieren
••
••
Coccidien
Coccidien beim
beim Huhn
Huhn
Trypanosomen
Trypanosomen beim
beim Rind
Rind
••
••
Zecken
Zecken beim
beim Rind
Rind
Magen-Darm-Nematoden
Magen-Darm-Nematoden
beim
beim Schaf
Schaf
Praktische Bedeutung der
Krankheitsresistenz bei Nutztieren
•• Coccidien
Coccidien beim
beim Huhn
Huhn
•• Trypanosomen
Trypanosomen beim
beim Rind
Rind
•• Zecken
Zecken beim
beim Rind
Rind
•• Magen-Darm-Nematoden
Magen-Darm-Nematoden
beim
beim Schaf
Schaf
3
Praktische Bedeutung der
Krankheitsresistenz bei Nutztieren
••
••
Coccidien
Coccidien beim
beim Huhn
Huhn
Trypanosomen
Trypanosomen beim
beim Rind
Rind
••
••
Zecken
Zecken beim
beim Rind
Rind
Magen-Darm-Nematoden
Magen-Darm-Nematoden
beim
beim Schaf
Schaf
Kommerziell genutzte Krankheitsresistenz
beim Schwein
•• Immunantwort
Immunantwort
•• E.
E. coli
coli F18-R
F18-R
4
Kommerziell genutzte Krankheitsresistenz
beim Schwein
••
••
Immunantwort
Immunantwort
E.
E. coli
coli F18-R
F18-R
Resistenz gegen
E. coli
5
Escherichia coli
F4
Diarrhoe
z.B.O8
O147
O149
Neugeborene
80 % der Verluste
LTI
STI
ST2
E.coli
z.B.
O138
O141
Absetzer
Stx2e
Enterotoxämie
F18
60 % der Verluste
Voraussetzungen für eine
Erkrankung durch E.coli
Kolonisation des Dünndarms über Fimbrien an
Rezeptoren der Dünndarmschleimhaut
6
E. coli F18-Rezeptoren
SSC6
• F18-Rezeptor als Einfachgenort
(Bertschinger et al., 1993)
• F18 Kopplung mit MHS-Genort
auf SSC6 (Vögeli et al., 1996)
α-Fucosyltransferase
FUT-1
?
307
307
CTG ACG CAG CTG GCG CAG
Leu Thr
Glu
Leu
Ala
F18
F18R
ab/ac
F18R
Glu
• Feinkartierung: FUT-1; Gentest
patentiert (Meijerink et al., 1997)
• Heute: Praxiseinsatz Schweiz,
PIC
F18
F18R
MAS gegen Enterotoxämie
Restriktionsmuster
des α1FUT-Gens
ACGC
GCGC Cfol
7
FUT1: Allelfrequenzen
Rasse
AA
AG
GG
Large
White
11%
45%
44%
Schweizer
Landrasse
1%
13%
86%
Praxisanwendung
• FUT1 und MHS eng gekoppelt
– MHS-negative Schweine oft empfindlich gegen
E. coli F18
– Co-Selektion notwendig
• Integration in Zuchtprogramme
– Schweiz
– PIC (USA, DK, nicht in Deutschland)
– Patente!
8
E. coli F4-Rezeptoren
• Resistente und empfindliche
Phänotypen bezüglich ETEC F4
unterscheidbar (Sellwood, 1975)
SSC13
• Autosomal rezessiver Erbgang
(Gibbons et al., 1977)
MUC-4
?
• F4ab/ac: Kopplung mit
Transferrin-Locus (Guerrin et al.,
1993)
F4ad
F4ab
• Kartierung auf SSC13 (EdforsLilja et al., 1995)
F4ac
F
E
D
C
B
A
F4R
• Feinkartierung: Mucin-4 als
Kandidatengen, Gentest
patentiert (Joergensen et al.,
2003)
MUC4-Frequenzen in Dänemark
Rasse (n)
% Empfindlich % Resistent
% Resistenzallele
(1992)
Duroc (17)
12,00
88,00
94,00 (100,00)
Hampshire
(9)
0,00
100,00
100,00 (100,00)
Landrace
(126)
99,00
1,00
10,00 (36,00)
Yorkshire
(111)
80,00
20,00
45,00 (41,00)
Dia zur Verfügung gestellt von Jorgensen, 2006
9
Estimated effects in Danish pigs
Breed
Genotype
Breedin
gIndex
Subindex
LG5
Landrace RR
SR
SS
pvalue
Yorkshir RR
SR
e
SS
pvalue
115,3
0,476
Daily
gain
0-30 kg
3,27
-0,0387
0,073
0,064
0,172
3,93
113,0
0,373
2,92
21,3
-0,0453
0,0485
0,111
0,169
4,02
111,1
0,086
2,49
19,3
-0,0441
0,0342
0,186
0,074
0,0002
**
107,3
<
***
0,0001
NS
0,44
Daily
gain
30-100 kg
16,6
NS
0,28
Feed
NS
Strength
Meat
%
Slaugther
loss
Piglets
born
*
0,044
4,2
-0,0081
0,0696
-0,01
0,157
1,53
105,6
0,095
1,06
7,9
-0,0134
0,0674
103,5
-0,025
0,49
11,2
-0,0176
0,0617
< 0,0001
+
***
0,0003
**
NS
0,12
0,0020
+
**
(-)
< 0,0001
***
NS
0,75
0,0008
**
0,51
< 0,0001
4,03
***
NS
0,23
0,086
2,53
0,016
0,036
2,38
0,035
-0,007
NS
0,09
(-) (+) (-)
0,0003
**
2,46
< 0,0001
-
***
(+)
Maria Johannsen, Bjarne Nielsen, Danish
Slaughterhouses
Bekannte Resistenzunterschiede beim
Schwein - I. Bakteriosen
Erreger
Erreger
Bemerkungen
Bemerkungen
E.coli
E.coli
Resistenz
Resistenzgegen
gegenColi-Diarrhoe;
Coli-Diarrhoe;F4
F4(K88ab,
(K88ab,ac,
ac,ad;
ad;SSC13:
SSC13:
Peelmann
et
al.
1998).
Peelmann et al. 1998).
Colienterotoxämie
Colienterotoxämie(Ödemkrankheit):
(Ödemkrankheit):F18ab,
F18ab,SSC6
SSC6 (Vögeli
(Vögelietet
al.
92)
alpha(1,2)-Fucosyltransferase
1
(Meijerink
et
al.
al. 92) alpha(1,2)-Fucosyltransferase 1 (Meijerink et al.97).
97).
Nramp1;
Nramp1;SSC15;
SSC15;Effekt
Effekt??(Blackwell
(Blackwell96;
96;Tuggle
Tuggleetetal.
al.97)
97)
Resistenz,
Resistenz,natürliche
natürlicheInfektion
Infektionund
undInfektionsversuch;
Infektionsversuch;76
76%%der
der
NK
NKresistent
resistent(Cameron
(Cameronetetal.
al.1940)
1940)
Absolute
AbsoluteResistenz
Resistenz40er
40erJahre
Jahre(Hutt)
(Hutt)
Salmonella
Salmonellasp.
sp.
Brucella
Brucellasuis
suis
Eperythrozoonose,
Eperythrozoonose,
Dysenterie,
Dysenterie,Rhinitis
Rhinitisaa
APP
Rassenunterschiede
APP
Rassenunterschiede(Gerlach
(Gerlachetetal.,
al.,unveröffentlicht).
unveröffentlicht).
10
Bekannte Resistenzunterschiede beim
Schwein - II. Virosen
Erreger
Erreger
Bemerkungen
Bemerkungen
Haemaggl.
Haemaggl.EnzephaloEnzephalo- Coronavirus;
Coronavirus;Rassenunterschiede
Rassenunterschiedeunbekannter
unbekannterGenese
Genese
myelitis
(Mengeling
myelitisVirus
Virus
(Mengeling76)
76)
Afrikanische
AfrikanischeSchweineSchweine-PinselohrPinselohr-und
undWarzenschweine
Warzenschweineresistente
resistenteReservoirs;
Reservoirs;
pest
Virus
Selektion
auf
resistentere
Schweinepopulationen
pest Virus
Selektion auf resistentere Schweinepopulationenmöglich;
möglich;
Virus-infizierte
Virus-infizierteMakrophagen
Makrophagensetzen
setzenFaktoren
Faktorenfrei,
frei,die
diezur
zur
Apoptose
Apoptoseführen;
führen;MHC?
MHC?CTLs?
CTLs?(Martins
(Martins93)
93)
Influenzavirus
Mx1-Protein
Influenzavirus
Mx1-Protein(Brehm
(Brehmu.u.Müller
Müller92)
92)
PrV
unterschiedliche
Serumneutralisationstiter
PrV
unterschiedliche Serumneutralisationstiternach
nachPRV-Impfung
PRV-Impfung
(Meeker
87)
(Meeker 87)
divergierende
divergierendeIFNa-Produktion
IFNa-Produktionisolierter
isolierterNierenzellen
NierenzellenininKultur
Kultur
nach
PRV-Infektion
(Edfors-Lilja
98)
nach PRV-Infektion (Edfors-Lilja 98)
MKS
relative
MKS
relativeResistenzunterschiede
Resistenzunterschiedegegenüber
gegenüberAerosolen
Aerosolen
(Donaldson
u.
Alexanderson,
2001
(Donaldson u. Alexanderson, 2001
PCV2
Prädisposition
PCV2
Prädispositionder
derLandrasse
Landrassegeg.
geg.LW,
LW,DU
DU(Klinik+Pathologie)
(Klinik+Pathologie)
(Opriesnig
et
al.,
2006)
(Opriesnig et al., 2006)
PRRSV
Rassenunterschiede?
PRRSV
Rassenunterschiede?(Halbur
(Halburetetal.,
al.,1998)
1998)
Bekannte Resistenzunterschiede beim
Schwein - III. Parasitosen
Erreger
Erreger
Bemerkungen
Bemerkungen
Trichinella
Trichinellaspiralis
spiralis
MHC-assoziierte
MHC-assoziierteElimination
Eliminationeingekapselter
eingekapselterMuskelstadien
Muskelstadien
(Madden
(Madden90)
90)
Resistenzunterschiede
Resistenzunterschiede(Wakelin
(Wakelin78)
78)
Rassenunterschiede?
Rassenunterschiede?
Ascaris
Ascarissuum,
suum,
Strongyl.
Strongyl.ransomi
ransomi
11
Warum werden die vorhandenen Resistenzen
gegen Infektionskrankheiten nicht genutzt?
polygener Charakter
Erblichkeit/Umwelt
(Hygiene, Immunität)
?
?
Vorteilhafte/unvorteilhafte
Genvarianten
Tiermodelle
Pathogenesemechanismen
Integration der Krankheitsresistenz
in die Prophylaxe
Zuchtwertschätzung
Zuchttierpool
MAS
Informative
Prüfgruppe
- Infektionsdruck
Exakte Prüfung
- Immunitätslage
auf Station
- Merkmalskomplexität
- Erreger/WirtsNachweis der für die
Interaktionen
KR verantwortlichen
??????????
Merkmale: Leistung/Resistenz
Gene
Nachkommen
12
Entschlüsselung von Resistenzmechanismen
ƒ Züchtung
ƒ Verlagerung der Selektionskriterien vom phänotypischen
Krankheitsbild zum molekularen Status auf DNA-Ebene
ƒ Grundlagen
ƒ Erweiterung der Kenntnisse molekularer Pathogenese- und
Abwehrmechanismen
ƒ Klinik
ƒ Molekulares Verständnis von Krankheitsbildern
Î Verbesserung von Diagnostik, Therapie und Prophylaxe
Î Steigerung von Gesundheit und Leistung
Î Reduktion von Schmerzen, Leiden und Schäden
Probleme!
% erklärte Varianz
25
20
15
Gene
10
Umw elt
5
0
A B C D E F G H I J K L MN O P Q R S
Gene, die an einer
Merkm alsausprägung partizipieren
13
Problemlösung
Identifikation
von QTLs
% erklärte Varianz
25
20
15
Gene
10
Umw elt
5
0
A B C D E F G H I J K L MN O P QR S
Gene, die an einer
Merkm alsausprägung partizipieren
Reduktion der
Umwelteffekte
Aufklärung von Resistenzmechanismen: vom
klinischen Bild zur Genvariante
Phänotypisierung
Klinik
Klinische Chemie
Pathologie
Abwehr
Immunologie
Mikrobiologie
Transcriptomik
funktionelle
Kandidatengene
Infektionsmodell
Erreger
Schweinepopulation
segregierend
hinsichtlich
- Klinik
- Genetik
Genotypisierung
z.B. genomweite
Markierung mit
Mikrosatelliten
Marker in homologphysiologischen
Kandidatengenen
Kopplungsanalyse
Assoziationsprüfung am
Phänotyp
z.B. QTL-Analyse
positionelle
Kandidatengene
Screening auf
Genvarianten
14
QTL-Analyse
• Foundertiere: maximale Differenz:
– Zielmerkmale (Phänotyp)
– Genausstattung (Genotyp)
Pietrain
Meishan
e
Pietrain
e
r
F1
Meishan
i
r
i
F2
r
e
i
r
e
i
e
r
• Erzeugen von F2-Kreuzungen
(freie Verteilung nicht gekoppelter
Gene durch Crossing over)
– Phänotypische Charakterisierung
(nach Infektion)
– Genotypisierung (150 Genmarker Î
Prüfung der DNA-Segregation der
empfindlichen/ resistenten
Großeltern für etwa 2300 Genorte)
• QTL-Analyse: an welchen
Genorten finden sich bei resistenten
Schweinen reinerbig nur Allele der
resistenten Rasse und umgekehrt =
QTL
Definition funktioneller Kandidatengene
• Belastung typischer Einzeltiere resistenter und
empfindlicher Populationen
unbelastet/empfindlich
resistent
belastet/empfindlich
resistent
• Entnahme von Zielorganen
– z.B. PBMCs, Lungengewebe, Lymphknoten, …
• Isolation der RNA
• Vergleich der vier „Transcriptome“ im Microarray
15
Definition funktioneller Kandidatengene
- Microarray
Beispiel Microarray
infiziert
nicht infiziert
mRNA
mRNA
Cy3-Markierung
mRNA
Cy5-Markierung
mRNA
gelb: unveränderte Expression
rot: erhöht bei Infektion
grün: vermindert bei Infektion
16
Eigene Untersuchungen
Zielsetzung
• Etablierung von Krankheitsresistenz-Modellen
beim Schwein
• Identifikation von Genorten und Entwicklung
von Genmarkern für Krankheitsresistenz
• Erweiterung des Verständnisses von
Krankheits- und Resistenzmechanismen
• Förderung von Tiergesundheit, Tierschutz und
Leistung
Aujeszky´sche
Krankheit (PHVI)
DFG
J. Gen. Virol. 2002, 83
Salmonella
typhimurium
Sarcocystis
miescheriana
Unsere
Modelle
PRRSV
DFG
J. Vet. Parasitol. 2002, 106
Genomics 2007, 89
APP
Vorversuche
Vorversuche
(FUGATO)
DVG-Tagung 2002,
Hannover
Industriepartner
AG-Gerlach
17
Vorstellung der Modelle
• auf der Krankheitsresistenz-Homepage
• unter dem Abschnitt des jeweiligen
Modells
Schlussfolgerung
• Infektionskrankheiten: erhebliche Bedeutung für die
Tierproduktion
• Zuchtpopulationen: deutliche Resistenzunterschiede bei
Tieren gleicher Produktionsleistung
• Problematik: Nachweis der günstigen Genvarianten und
ihrer Träger
• Lösung: Moderne Verfahren der Genomanalyse
• Weiter Weg vom Resistenzmodell zum Praxiseinsatz
• Beispiele anderer Nutztierspezies, F18R und Immunreaktivität
• Untersuchungen von Kollegen, eigene Untersuchungen
– Genvarianten mit herausragender Bedeutung für die KR
– Nutzung in naher Zukunft?!
18