Genetycy – tropiciele nosicieli defektów

Minęło 25 lat odkąd w Polsce rozpoczęto systematyczne badania molekularne, pozwalające na wykrywanie buhajów, będących nosicielami defektów genetycznych. Badania te zainicjowała Katedra Genetyki Zwierząt wcześniej Akademii Rolniczo-Technicznej w Olsztynie, a obecnie Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego.

O rozwoju genetyki, pierwszym w Polsce laboratorium genetyki molekularnej zajmującym się defektami genetycznymi u bydła mlecznego opowiada prof. Stanisław Kamiński, kierownik Katedry Genetyki Zwierząt UWM.

– Panie Profesorze, koniec XX w. to m.in. przenikanie nowoczesnych metod biologii molekularnej do nauk o zwierzętach. Jaki to miało wpływ na hodowlę bydła?

– Nowe metody umożliwiły identyfikację genów odpowiadających za ważne cechy związane z produkcyjnością, zdrowiem oraz rozrodczością zwierząt hodowlanych. Na przełomie wieku XX i XXI stało się możliwe określenie genotypu zwierzęcia na podstawie jego DNA, bez oczekiwania na ujawnienie się fenotypu, czyli obserwowanej cechy lub choroby u samego badanego zwierzęcia lub jego potomstwa czy też krewnych. Innymi słowy, metody te pozwoliły zajrzeć do samej konstrukcji genetycznej, zanim się ona zrealizuje u konkretnego osobnika. Ten metodyczny przełom miał miejsce w bardzo ważnym okresie dla rozwoju polskiej hodowli bydła mlecznego, czyli w trakcie tzw. „holsztynizacji bydła" polegającej na intensywnym krzyżowaniu bydła rodzimej rasy polskiej nizinnej czarno-białej z rasą holsztyńsko-fryzyjską, głównie poprzez używanie w rozrodzie nasienia buhajów z USA i Kanady. W tym newralgicznym okresie, ówczesna prorektor ds. nauki prof. Jadwiga Przała, uznała projekt utworzenia laboratorium za godny finansowania. W ten sposób udało nam się otworzyć pierwsze w Polsce, w obszarze nauk o zwierzętach, Laboratorium Dydaktyczno-Badawcze Biologii Molekularnej. I to właśnie w tym czasie ujawnił się problem przenikania do naszej hodowli nosicieli mutacji warunkujących defekty genetyczne u bydła mlecznego.

– Co to znaczy nosiciel?

– W terminologii genetycznej nosiciel jest osobnikiem zdrowym, nic mu nie dolega, nie widać, żeby był anatomicznie czy fizjologicznie gorszy od swoich rówieśników. Tymczasem w ściśle określonym miejscu na konkretnym chromosomie ma mutację, której szkodliwy efekt ujawnia Minęło 25 lat odkąd w Polsce rozpoczęto systematyczne badania molekularne, pozwalające na wykrywanie buhajów, będących nosicielami defektów genetycznych. Badania te zainicjowała Katedra Genetyki Zwierząt wcześniej Akademii RolniczoTechnicznej w Olsztynie, a obecnie Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego. się tylko wtedy, kiedy od obojga rodziców odziedziczy tę mutację. Jeśli zatem, a tak dzieje się najczęściej, krowa posiadająca normalny wariant genu zostanie skojarzona z buhajem nosicielem, wówczas można się spodziewać, że połowa ich potomstwa będzie nowymi nosicielami, które także nie będą wyróżniać się od swoich rówieśników. Mutacja taka może przenosić się w ten sposób w kolejnych generacjach do momentu, aż osobniki dalece spokrewnione, a będące nosicielami, zostaną skojarzone w pary. Tak właśnie dzieje się w hodowli bydła, gdzie wybitny buhaj, poprzez inseminację krów jego nasieniem w wielu krajach może być przodkiem setek tysięcy potomstwa rozproszonego na całym świecie. Po wielu latach, jego potomek będący nosicielem, ze względu na wysoką, międzynarodowo uznaną wartość hodowlaną, jest kojarzony z krowami nosicielkami tej samej mutacji (także zdrowymi). W efekcie dochodzi do spotkania się u 25% potomstwa dwu kopii tej samej mutacji – a to już prowadzi do pełnego ujawnienia się defektu. Jest to zazwyczaj obumieranie zarodków lub płodów, urodzenia martwych cieląt lub cieląt osłabionych i chorych, które są przez hodowcę usuwane ze stada. Wykrywanie nosicieli defektów daje zatem podwójną korzyść: nie dopuszcza do ujawnienia się szkodliwego efektu mutacji, ale także, co równie ważne hamuje jej rozprzestrzenianie się. 

– Jak dowiedzieliście się o pierwszym defekcie? 

– Z publikacji naukowych i... można powiedzieć, że to był falstart. Pierwszym defektem była wczesna obumieralność zarodkowa warunkowana mutacją w genie UMPS. Wspólnie z moją pierwszą współpracownicą, wówczas magistrantką a obecnie dr Anną Ruść przebadaliśmy wiele zwierząt. Okazało się, że w Polsce nie ma nosicieli tego defektu. To jednak nie uśpiło naszej czujności. Zaczęliśmy śledzić literaturę światową, w której pojawiały się doniesienia o nowych defektach genetycznych, zwłaszcza tych, które mogą dotyczyć bydła mlecznego utrzymywanego w Polsce. W nowym laboratorium szybko zorientowaliśmy się, jak pożyteczne mogą być opanowane przez nas nowe metody i nowoczesna aparatura na tym konkretnym polu badawczym. Ówczesny szef katedry prof. Krzysztof Walawski wspierał nas w przekonaniu, żeby oprócz fascynacji nowymi technikami badawczymi, dostrzegać ich wartość w badaniach użytecznych dla hodowców. Podążając za światowymi trendami rozpoczęliśmy testowanie naszych buhajów na nosicielstwo nowych defektów, o których dowiedzieliśmy się z konferencji naukowych czy publikacji. Najkrócej mówiąc, wtedy nauczyliśmy się i do tej pory doskonalimy te metody, aby na podstawie próbki krwi, nasienia czy też włosa, w całym genomie zdrowego i zazwyczaj wybitnego buhaja rozpłodowego znaleźć niewielki fragment DNA i zdecydować – czy badany buhaj jest nosicielem czy nie. Mimo bardzo utylitarnego charakteru tych badań, stały się one asumptem wielu prac naukowych, w tym jednej habilitacji (prof. U. Czarnik), jednego doktoratu (dr A. Ruść) i wielu prac magisterskich. 

– Ile zwierząt przebadaliście przez te 25 lat?

– Bez mała 10 tysięcy buhajów na kilka najbardziej znanych defektów. Ciekawie to wygląda na wykresach, gdyż w momencie kulminacyjnym wykryliśmy bardzo dużo nosicieli, ale w kolejnych latach ich liczba szybko spadała. W zasadzie już od kilku lat nie obserwujemy w Polsce nosicieli kilku najbardziej znanych defektów, w terminologii międzynarodowej znanych jako BLAD, CVM czy Brachyspina. Od wielu lat w badania te najbardziej zaangażowani są pracownicy inżynieryjno-techniczni: dr inż. Anna Ruść i mgr inż. Elżbieta Wójcik, które niestrudzenie i bardzo profesjonalnie prowadzą każdy etap identyfikacji nosicieli. Darzę je pełnym zaufaniem i doceniam ich wysoką jakość pracy. A przypominam, że wynik badania ma duży ciężar ekonomiczny – uznanie wybitnego buhaja za nosiciela to swoisty wyrok, oznacza bowiem ogromny spadek jego ceny oraz z reguły przeznaczenie na opas. O pomyłkach nie może być mowy. Przez te ostatnie 25 lat zaobserwowaliśmy zadziwiające zjawisko, stare defekty zanikają, a niestety pojawiają się nowe... .

– Dlaczego?

– Wynika to z samej natury defektów genetycznych. Pojawiają się one głównie z powodu zwiększającego się pokrewieństwa zwierząt doskonalonych w tzw. czystości rasy. Dobieramy najlepsze krowy z najlepszymi buhajami tej samej rasy, aby ich potomstwo było jeszcze lepsze. Kumulacja tych samych wariantów tych samych genów jest pożądana jeśli są to geny zaangażowane w produkcję mleka czy inne pożądane cechy zwierzęcia, niekiedy jednak spotykają się warianty, które razem wywołują efekt niekorzystny. Mimo że panuje ogólny pogląd, że korzyści z tak prowadzonej hodowli są większe niż ewentualne szkody, próbuje się minimalizować te straty, właśnie przez wczesne wykrywanie nosicieli i eliminowanie ich z populacji aktywnej rozpłodowo. W Polsce tych szkód się nie szacuje, natomiast policzyli je Amerykanie. Jeden z ostatnich nowych defektów genetycznych nazwany, holsztyńskim haplotypem nr 1 (HH1), w ciągu ostatnich 35 lat wywołał obumarcie ok. 525 tysięcy zarodków i spowodował straty na sumę 420 milionów dolarów. Wszystko za sprawą buhaja o imieniu Chief, urodzonego w 1962 roku. Był to drugi w całej historii rasy buhaj, który wywarł największy wpływ na całą rasę. Nikt nie wiedział, aż do niedawna, że był nosicielem mutacji wywołującej wczesne zamieranie zarodków. To niesamowite, że drobna, z pozoru nic nieznacząca zmiana jednego nukleotydu spośród ok. 3 miliardów nukleotydów, które ma genom bydła, może wywołać takie ogromne skutki, także w Polsce.

– Czy można jakoś zapobiegać nowym defektom genetycznym? 

– W kilku krajach (np. USA, Kanadzie, Danii, Francji, Niemczech) funkcjonują programy wczesnego wykrywania nowych defektów i eliminowania osobników będących nosicielami. Czołowe hodowle światowe po wykryciu pierwszych zdeformowanych cieląt, martwych urodzeń, anomalii anatomicznych rejestrują je, opisują i szukają wspólnego pochodzenia genetycznego tych osobników. Jeśli stwierdzą, że zwierzęta te mają wspólnego przodka, podejmują badania prowadzące do identyfikacji tzw. mutacji sprawczej, a następnie opracowują test genetyczny na wykrywanie nosicieli. Zazwyczaj test taki podlega opatentowaniu. W tym czasie oczyszczają swoją populację z nosicieli tego właśnie defektu. 

– W jaki sposób?

– Mogą ograniczać kojarzenia wewnątrz kraju, ale jeśli mają zapasy materiału genetycznego do sprzedania, to je sprzedają do innych krajów. W efekcie, nosiciele przenikają do krajów importujących, a Polska do takich krajów cały czas należy. Przy różnych okazjach przekonuję Polską Federację Hodowców Bydła i Producentów Mleka, żeby wdrożyła program wczesnego wykrywania tych chorych zwierząt, które powstały w wyniku kojarzenia nosicieli z obu stron. W przeciwnym razie będziemy ponosili nie tylko koszty opóźnionej likwidacji nosicieli, ale także koszt opłat licencyjnych związanych z wykorzystaniem patentu na terenie Polski. Za tym niestety kryją się fundusze i bardzo systematyczna i solidna praca hodowców, którzy muszą przypadki defektów zgłaszać, rejestrować, przesyłać próbki do laboratorium. To jest konkretny wysiłek. A ponadto, taki hodowca poniekąd przyznaje się, że w jego stadzie rodzą się jakieś chore cielęta. W Polsce taka wiadomość postrzegana jest nadal negatywnie, że coś w tej hodowli jest nie tak, że lepiej nie kupować od tego hodowcy materiału hodowlanego, np. jałówek. W zachodnich hodowlach jest inne myślenie. Hodowca, który zgłasza przypadki defektów polepsza jakość całej populacji. Do takich standardów musimy dążyć, zmieniać niewłaściwe nastawienie hodowców i uczyć ich dbania o hodowlę jako całość.

– Co by się stało, gdyby w Polsce nie było takich usług, jakie oferujecie?

– Hodowcy byliby skazani na usługi zagranicznych firm laboratoryjnych, w których ceny są dwukrotnie wyższe. Poza tym opóźnienie w reakcji na nowy defekt byłoby większe, a więc i straty większe. Poza tym, duża część hodowców docenia, że w Polsce jest taka usługa badawcza i że nie musi korzystać z zagranicznych laboratoriów lub pośredników takich badań. Podkreślam to przy każdej okazji, nasza praca służy wyłącznie polskim hodowcom, tym dużym jak centra inseminacyjne, jak i indywidualnym gospodarzom, którzy mają stada hodowlane. Im należy się wsparcie, ponieważ poddani są silnej i nadal nierównej konkurencji na unijnym rynku mleka.

– Jaka jest przyszłość tego typu badań? 

– Dzięki ciągłości badań nad defektami mamy ogromną bazę próbek DNA, które pozyskujemy od 25 lat. Część z nich została wyodrębniona w postaci jedynego w naszym kraju Polskiego Banku DNA Buhajów, który stał się rdzeniem ogólnopolskiego projektu selekcji genomowej bydła, która jest ostatnim hitem w ogólnoświatowej hodowli bydła holsztyńskofryzyjskiego. Obecnie stosujemy nowe techniki, tzw. mikromacierze DNA, do których rozwoju też się przyczyniliśmy pracując w różnych konsorcjach i projektach. Mamy pracownię mikromacierzy DNA w naszej katedrze, dzięki której na jednej niewielkiej płytce takiej, jak szkiełko mikroskopowe, jesteśmy w stanie wykryć jednocześnie wiele defektów przy okazji oceny wartości genetycznej buhaja dla 30 podstawowych cech użytkowych.

– Patrząc z perspektywy czasu, czy nasuwa się panu jakaś ogólniejsza refleksja?

– Ćwierćwiecze naszych prac rodzi w nas nieskrywaną dumę, że tutaj w Kortowie, nasza intuicja i wytrwałość oraz życzliwość i współpraca wielu osób sprawiła, że braliśmy udział i nadal to czynimy, w czymś, co jest i ciekawe, i pożyteczne w skali całego kraju. Niech to będzie przesłanie dla młodych kortowskich badaczy, aby podejmowali próby zaangażowania swojego intelektu i wspaniale dzisiaj wyposażonych laboratoriów w usługi badawcze dla polskich przedsiębiorców. Zapewniam, że znajdą w tym dużo satysfakcji. Przyda się zwłaszcza w trudnych momentach potknięć czy niepowodzeń w badaniach poznawczych.

Sylwia Zadworna