Historia - Instytut Genetyki i Hodowli Zwierząt PAN

Historia - Instytut Genetyki i Hodowli Zwierząt PAN

Historia Zakładu Immunogenetyki Zwierząt
Instytutu Genetyki i Hodowli Zwierząt PAN
Z inicjatywy prof. dr Mieczysława Czaji – pierwszego kierownika Zakładu Hodowli
Doświadczalnej Zwierząt (ZHDZ) PAN – powołana została w 1955 roku Pracownia Grup Krwi
Zwierząt, z której wywodzi się obecny Zakład Immunogenetyki Zwierząt. Intencją zainicjowania
podjętych badań była nie tylko ich wartość poznawcza, lecz, co godne podkreślenia, presja praktyki,
która potrzebowała obiektywnego, biologicznego wskaźnika, pomocnego w pracy hodowlanej. Ciężar
zorganizowania od podstaw warsztatu pracy oraz wyboru odpowiedniej kadry powierzono prof. dr
Antoniemu Spryszakowi. Ze względu na pogarszający się stan Jego zdrowia obowiązki te wkrótce
przejął Maciej Żurkowski, późniejszy wieloletni kierownik Pracowni/Zakładu i Dyrektor Instytutu
Genetyki i Hodowli Zwierzat (IGiHZ) PAN w Jastrzębcu. Rozpoczęto badania nad grupami krwi
bydła, koni, świń, dzików i drobiu, a także analizy porównawcze podobieństw serologicznych
czynników antygenowych erytrocytów bydła i żubrów. Pierwsza praca o charakterze
eksperymentalnym z zakresu badań grup krwi zwierząt, autorstwa prof. Spryszaka, ukazała się w 1955
roku, a w latach 1959-1964 rezultatem badań grup krwi zwierząt prowadzonych w ZHDZ były cztery
rozprawy doktorskie (Alfreda Wróblewskiego, Jolanty Gasparskiej, Macieja Żurkowskiego i Janusza
Gasparskiego), które można określić mianem pionierskich w skali kraju. Badawczy entuzjazm,
aktywność popularyzatorska, a wkrótce wymierny dorobek kadry naukowej Pracowni Grup Krwi
Zwierząt, znacznie przyczyniły się do rozwoju tej problematyki w Polsce. W różnych krajowych
ośrodkach zaczęły powstawać pracownie grup krwi, a przyjazne współzawodnictwo między
immunogenetykami zaowocowało znaczącym rozwojem badań. W roku 1969 ZHDZ PAN
przekształcono w Instytut Genetyki i Hodowli Zwierząt (IGiHZ) PAN, a szybko rozwijająca się
Pracownia Grup Krwi Zwierząt uzyskała status Zakładu Immunogenetyki Zwierząt. Od samego
początku badania miały ukierunkowany, aplikacyjny charakter. Zastosowane wówczas procedury
optymalnego dobierania par dawca-biorca do celowych alloimmunizacji oraz techniki uzyskiwania i
obróbki immunosurowic biorców zachowują aktualność do dnia dzisiejszego. Opanowanie tych
procedur umożliwiło uzyskanie dużego zestawu monospecyficznych reagentów identyfikujących
odpowiednie czynniki antygenowe erytrocytów. Rozwojowi badań sprzyjało utrzymywanie roboczych
kontaktów z renomowanymi placówkami zagranicznymi, m.in. z laboratorium grup krwi zwierząt w
Wageningen (Holandia), gdzie na długoterminowym stażu naukowym przebywał Maciej Żurkowski,
który kierował Zakładem do roku 1997. Funkcję tę powierzono następnie Jolancie Kurył. Istotnym
elementem determinującym późniejszy rozwój i kształt krajowych badań z dziedziny immunogenetyki
zwierząt był fakt, że ZHDZ PAN (późniejszy IGiHZ PAN) był jednym z pierwszych członków
instytucjonalnych międzynarodowego Towarzystwa Badań Grup Krwi Zwierząt (International Society
for Animal Blood Group Research – ISABR). Fakt przynależności do Towarzystwa sprzyjał
uczestnictwu m.in. w międzynarodowych testach porównawczych, których celem była weryfikacja na
losowej próbie erytrocytów bydła różnych ras specyficzności uzyskiwanych immunoreagentów i
ocena skuteczności stosowanych metod analitycznych. Współpraca i międzynarodowe robocze
kontakty znalazły wyraz m.in. w zorganizowaniu w roku 1968 w Warszawie konferencji ISABR oraz
organizacji w latach 1968 i 1979 w Polsce międzynarodowych testów porównawczych dla bydła i
koni. Dzięki instytucjonalnemu uczestnictwu ZHDZ i później IGiHZ PAN w międzynarodowej
wymianie naukowej, wielu pracowników Zakładu zostało później indywidualnymi członkami ISABR.
Sprzyjało to rozszerzaniu formuły i obszaru ich zainteresowań badawczych, które również w Polsce
stawały się coraz bardziej interdyscyplinarne. W całej biologii, a zwłaszcza w genetyce, zaczęły w
coraz większym stopniu decydować techniki genetyki molekularnej. Ilustracją nowych wyzwań, które
na początku lat 80-tych pojawiły się w genetyce cech jakościowych był m.in. fakt nadania ISABR
szerszej formuły i jego przekształcenie w roku 1988 w Międzynarodowe Stowarzyszenie Genetyków
Zwierząt (International Society for Animal Genetics – ISAG). W podobny sposób ewoluowała
problematyka badawcza Zakładu.
Na przełomie lat 1960/1961 wykonano pierwsze w Polsce ekspertyzy dotyczące wiarygodności
danych rodowodowych bydła. Narastająca potrzeba rozwijania badań identyfikacyjnych miała
związek z szerokim wprowadzaniem do hodowli bydła metody sztucznego unasieniania. Ta nowa
wówczas biotechnika rozrodu umożliwiała osiąganie szybszego postępu hodowlanego, lecz
1
równocześnie sprzyjała powstawaniu pomyłek w zapisach dokumentacji hodowlanej. Jednym z
obiektywnych czynników sprzyjających powstawaniu pomyłek jest występowanie rui u krów
cielnych. Nie dysponowano wówczas metodą umożliwiającą ujawnianie takich przypadków. Brak
dostatecznej wiedzy sprawiał, że wystąpienie rui u unasienionej krowy tłumaczono złą jakością
zastosowanego nasienia i do ponownego zabiegu wykorzystywano nasienie innego reproduktora,
któremu ostatecznie przypisywano ojcostwo urodzonego cielęcia. Pionierskie w kraju obserwacje na
temat występowania i ujawnienia, poprzez badania grup krwi, przypadków występowania rui u krów
cielnych, były przedmiotem rozprawy habilitacyjnej Macieja Żurkowskiego. Wykonywane w
Zakładzie prace genetyczno-identyfikacyjne bydła oparte na serologii grupowej krwi i ich duża
skuteczność w weryfikowaniu rzetelności zapisów rodowodowych (co było i jest niezwykle istotne
m.in. dla prawidłowej wyceny wartości hodowlanej buhajów na podstawie oceny użytkowości
potomstwa), znacznie wyprzedziły i w dużym stopniu stymulowały wejście w życie aktów
normatywnych dotyczących kontroli pochodzenia męskiego materiału reprodukcyjnego, a także
powołanie w roku 1969 krajowego systemu badania grup krwi zwierząt. System ten placówka w
Jastrzębcu wspomagała swymi badaniami do początku lat 70-tych. Za całokształt badań określonych
jako „Immunogenetyczna i biochemiczna identyfikacja antygenów krwinkowych i grup krwi u
bydła”, ich realizatorzy otrzymali w roku 1971 nagrodę Sekretarza Naukowego PAN. Uzyskanie
dużego zestawu immunoreagentów grupowych krwi, których
monospecyficzność została
zweryfikowana w testach międzynarodowych, umożliwiło podjęcie prac dotyczących charakterystyki
struktury genetycznej populacji i rejestrowanie zmian związanych z procesem doskonalenia bydła. Był
to nowy nurt badań, w których wykorzystano obiektywnie wykrywalne markery o dobrze
zweryfikowanym modelu dziedziczenia. Wyniki badań dotyczące tej problematyki były przedmiotem
rozpraw doktorskich Grzegorza Grzybowskiego i Wiesławy Michalak. Na metodologii
wykorzystującej międzyosobnicze i międzyrasowe zróżnicowanie grup krwi, oparto później w kraju
szereg rozpraw doktorskich i habilitacyjnych, w których potwierdzono przydatność analizy tych cech
w szacowaniu skali zmian genetycznych w populacji spowodowanych selekcją.
Wiedzę na temat genetycznych podstaw determinacji grup krwi oraz praktyczne doświadczenia w
zakresie immunoserologicznych technik obiektywnej identyfikacji erytrocytarnych czynników
antygenowych, wykorzystano w późniejszych badaniach Zakładu nad głównym kompleksem
zgodności tkankowej – MHC – świń i bydła (kmpleksy SLA i BoLA). Uwzględnianie w pracach nad
MHC elementów wiedzy z dziedziny immunoserologii grup krwi było konieczne ze względu na
sprzężenie loci układów grupowych krwi świń J i C z SLA (wykazano później, że są one
umiejscowione w autosomie 7), z racji faktu, że normalne przeciwciała występujące w surowicy krwi
niektórych osobników identyfikujące antygen grupowy A są cytotoksyczne dla limfocytów, a także w
świetle stwierdzenia, że loci układów grupowych krwi N i E stanowią u świń tzw. minor
histocompatibility systems. Wkrótce okazało się, że także bydlęcy BoLA i locus układu grupowego
krwi M są ze sobą sprzężone, a między niektórymi antygenami transplantacyjnymi BoLA i
czynnikami grupowymi krwi (np. między antygenem BoLA-w16 i grupą krwi M’) zachodzi ścisła
serologiczna współzależność. Poprzez alloimmunostymulacje z wykorzystaniem bydlęcych
przeszczepów skórnych uzyskano w Zakładzie wiele reagentów o aktywności anty-BoLA-w16, które
obok silnego działania limfocytotoksycznego, wykazywały wysoką aktywność hemolityczną anty- M’.
Reagenty te wykorzystano w testowaniach grup krwi bydła w Polsce (Instytut Zootechniki), a także w
laboratoriach we Francji, Niemczech, Czechach i na Słowacji. Niezależnie od badań MHC, wiedzę
dotyczącą grup krwi i sposobów ich identyfikacji wykorzystano w późniejszych pracach Zakładu nad
grupą sprzężonych loci powiązanych z podatnością stresową i jakością mięsa u świń (grupa ta
obejmuje m.in. loci układów grupowych krwi A i H).
W drugiej połowie lat 60-tych. podjęto badania biochemicznego polimorfizmu białek krwi
różnych gatunków zwierząt gospodarskich i dzikich. Badania te nie miały w Polsce żadnej tradycji.
Wyniki pierwszych prac opublikowano w roku 1966, a rok później Krystyna TomaszewskaGuszkiewicz przedstawiła rozprawę doktorską na temat występowania podfrakcji beta-globulin w
surowicy krwi bydła różnych ras. Był to istotny moment w rozwoju krajowych badań biochemicznego
polimorfizmu białek z wykorzystaniem technik elektroforetycznych. W krótkim czasie opanowano tę
nową wówczas metodę, adaptując techniki separacji białek krwi do potrzeb analiz wariantów
elektroforetycznych (genetycznych) występujących u bydła, świń, koni i kur. Scharakteryzowano rasy
2
hodowane w Polsce pod kątem widzenia częstości występowania wariantów w poszczególnych
układach polimorficznych, identyfikując przy tym allele nie opisane wcześniej w literaturze
światowej. Przeprowadzono m.in. szerokie badania polimorfizmu białek krwi dzików z populacji
poznańskiej i mazurskiej, identyfikując w układzie transferyn surowicy krwi allel TFP, który
wcześniej został wykryty jedynie u mieszańców świni domowej z dzikiem na terenie Austrii.
Przebadano również polimorfizm białek krwi u koników polskich, utrzymywanych w warunkach
rezerwatowych i stajennych w Zakładzie Doświadczalnym w Popielnie (obecnie Stacja Badawcza
Rolnictwa Ekologicznego i Hodowli Zachowawczej Zwierząt PAN) oraz w warunkach stajennych w
Państwowej Stadninie Koni w Racocie. Zidentyfikowano warianty elektroforetyczne białek nie
występujące u innych ras koni, co może świadczyć o genetycznej unikalności populacji koników
polskich. W latach 1969-1982, pionierskie w kraju analizy prowadziła także Pracownia
Immunogenetyki Drobiu, kierowana przez Jolantę Gasparską. Pracownia pozostawała w strukturze
organizacyjnej Zakładu Immunogenetyki Zwierząt, lecz z uwagi na specyfikę obiektu badawczego
dysponowała wyodrębnionym zespołem. Po zagranicznym stażu Jolanty Gasparskiej w USA,
Pracownia jako jedna z pierwszych na świecie rozpoczęła badania nad grupami krwi kur. Po kilku
latach żmudnych eksperymentów badań tych jednak zaniechano, koncentrując wysiłek na analizach
polimorfizmu białek. Decyzję tę można obecnie rozważać jedynie w kategoriach niewykorzystanych
szans zainicjowania w Polsce nowego nurtu interdyscyplinarnych badań genetycznych,
fizjologicznych i medycznych. W tamtym czasie nie dostrzegano jeszcze szerszego kontekstu i dużych
walorów poznawczych związanych z immunoserologią grupową krwi, a rozwijanie tych badań
wyłącznie pod kątem widzenia zastosowania w kontroli pochodzenia kur, nie miało praktycznego
uzasadnienia. Wkrótce okazało się, że najbardziej złożony układ grupowy krwi B, którego badania
stawiały przez zespołem Pracowni gąszcz trudnych do rozwiązania problemów analitycznych, to
kurzy kompleks zgodności tkankowej (MHC). Gallus gallus domesticus jest obecnie jednym z
gatunków o podstawowym znaczeniu w biologii eksperymentalnej. Placówki, które mimo trudności
kontynuowały badania związane z immunoserologią grupową krwi kur, stały się później światowymi
pionierami nowego nurtu badań ukierunkowanych na rozpoznawanie genetycznych podstaw tzw.
względnego ryzyka występowania chorób (zwłaszcza patologii na tle immunologicznym) u ludzi i
zwierząt. Fundamentalnym odkryciem na tym polu było m.in. udokumentowanie niezwykle silnego
związku między występowaniem antygenu grupowego krwi B27, a podatnością kur na wirus choroby
Mareka. Jastrzębiecki zespół dysponował własną fermą kur, co pozwalało na programowanie
celowych kojarzeń pod kątem potrzeb analiz polimorfizmu białek i dokonywanie obserwacji zmian
fizjologicznych zachodzących w poszczególnych cyklach nieśności kur. W badaniach tych wykazano,
że elektroforetyczny profil białek oraz aktywność niektórych enzymów obecnych w surowicy krwi
zmieniają się nie tylko w związku z osiągnięciem dojrzałości płciowej i rozpoczęciem znoszenia jaj.
Także sam proces formowania jaja, zwłaszcza skorupy, wpływa zarówno na obraz białek jak i na
aktywność enzymów. Nadto stwierdzono, że aktywność niektórych enzymów w przewodzie jajowym,
w wątrobie, nerce i szpiku kostnym zmienia się w zależności od stanu fizjologicznego kury oraz w
zależności od stadium formującego się jaja Zidentyfikowano nowe warianty białek krwi i treści jaja
kur, a informacje na ten temat znalazły się w międzynarodowej bazie danych, opracowanej przez
badaczy kanadyjskich. Za „Badania polimorfizmu białek osocza kur”, ich realizatorzy uzyskali w roku
1972 nagrodę Sekretarza Naukowego PAN.
Wyniki badań z zakresu polimorfizmu białek krwi u różnych gatunków zwierząt były w
przedmiotem ośmiu rozpraw doktorskich pracowników Zakładu: Elżbiety Składanowskiej, Anny
Madeyskiej-Lewandowskiej, Danuty Kierek-Jaszczuk, Jolanty Kurył, Zenona Jastrzębskiego,
Stanisława Didkowskiego, Piotra Rybińskiego i Tadeusza Reklewskiego. Problematyka ta była także
w latach 1971-1986 przedmiotem trzech rozpraw habilitacyjnych: Jolanty Gasparskiej, Krystyny
Tomaszewskiej-Guszkiewicz i Jolanty Kurył.
Na początku lat 80-tych istotnie zmodyfikowano w Zakładzie techniki elektroforetycznej analizy
polimorfizmu białek. Zamiast hydrolizatu skrobi, jako podstawowe media rozdzielcze wprowadzono
poliakryloamid i agarozę. Stworzyło to możliwość identyfikacji nie tylko nowych wariantów białek
krwi, ale również opisanie nowych systemów polimorficznych. Wprowadzenie bardziej efektywnych
procedur eksperymentalnych było istotne także dlatego, że zaczęto w tym czasie przeprowadzać
osobnicze badania identyfikacyjne, będące podstawą do weryfikacji rodowodów koni arabskich
czystej krwi, a więc materiału szczególnie istotnego dla polskiego eksportu. Wkrótce badania te
3
rozszerzono, obejmując nimi krajowe pogłowie koni pełnej krwi angielskiej. Taka formuła badań jest
aktualna także w chwili obecnej, a wystawiane przez Zakład certyfikaty, które potwierdzają
prawidłowość informacji zawartych w rodowodzie, są podstawą wpisu koni do Ksiąg Stadnych. Za
„Opracowanie zasad prowadzenia kontroli pochodzenia koni w oparciu o badania grup krwi i
genetycznego polimorfizmu białek”, realizatorzy tej problematyki uzyskali w roku 1989 Nagrodę II
stopnia Ministra Rolnictwa i Gospodarki Żywnościowej.
W tym samym okresie zainicjowano w Zakładzie następujące nowe kierunki badań, które w
następnych latach podjęto także w innych polskich placówkach.
– badania genetycznej i serologicznej organizacji głównego kompleksu zgodności tkankowej
MHC u świń (układ SLA), bydła (układ BoLA) i owiec (układ OLA), a także wpływ kompleksu
MHC na reprodukcję;
– badania grupy sprzężonych loci chromosomu 6 u świń, obejmujących podatność stresową oraz
związanych z wydajnością rzeźną i z syndromem obniżonej jakości mięsa wieprzowego (PSE).
W badaniach MHC, które początkowo prowadzono we współpracy z naukowcami z Francji,
zastosowano niestosowane jeszcze wówczas w kraju metodyki izolacji i standaryzacji różnych
elementów morfotycznych krwi, immunostymulacji poprzez przeszczepy skórne, procedury nowych
testów limfocytotoksycznych i metody wykrywania naturalnych immunizacji ciążowych u samic
zwierząt gospodarskich. Wyniki badań nad MHC świń (kompleks SLA), były w roku 1984
przedmiotem rozprawy habilitacyjnej Grzegorza Grzybowskiego. Przedstawiono w niej nowe
informacje o cechach somatycznych występujących u gatunku Sus scrofa. Zidentyfikowano nowy
czynnik zgodności tkankowej klasy I, który oznaczono jako SLA 26. Stwierdzono, że jest on
pierwszym markerem nieznanego haplotypu, który grupuje loci świńskiego MHC i wykazuje ścisłą
serologiczną współzależność z antygenami transplantacyjnymi SLA12 i SLA6. Wykazano, że
cytotoksyczne przeciwciała identyfikujące produkty MHC klasy I u świń mogą utrzymywać się w
surowicy krwi biorców przez co najmniej 4 miesiące przy zachowaniu miana umożliwiającego
opracowanie silnie działających reagentów. Uzyskano także przeciwciała identyfikujące produkty
nieznanego układu alloantygenowego świń. Techniki z zakresu wykrywania antygenów
transplantacyjnych SLA zaadaptowano następnie do badań bydlęcego kompleksu zgodności
tkankowej BoLA. W badaniach realizowanych w ramach grantu KBN, zidentyfikowano i zmapowano
na chromosomie 23 nowy locus genomu bydła domowego oznaczony jako JACSAL (JA=Jastrzębiec,
C=cattle, S=serum, A=allotype, L=locus). We współpracy z naukowcami z Instytutu Zootechniki
wykazano, że JACSAL kontroluje allotypy BA6+ i BA6- występujące we frakcji α-globulin surowicy
krwi bydła. Ponadto stwierdzono, że allele BA6+ i BA6-, oraz alele BoLA pozostają w stanie silnego
sprzężenia niezrównoważonego (linkage disequilibrium), co może być wynikiem presji selekcji
naturalnej. Po alloprzeszczepach skórnych u bydła uzyskano monospecyficzne reagenty grupowe
krwi: anty-S1, anty-A2 i anty-M’ Były to na świecie pierwsze przypadki tego rodzaju i zarazem
bezpośredni, eksperymentalny dowód, że loci grup krwi bydła A i S mają charakter tzw. minor
histocompatibility systems, gdyż czynniki grupowe z tych układów zaangażowane są w reakcje
immunologiczne występujące przy allotransplantacjach. Wykazano, że u ciężarnych krów występować
mogą silne immunizacje płodowymi antygenami transplantacyjnymi, co może być istotne w rozrodzie
prowadzonym metodą MOET (multiple ovulation and embryo transfer). W rozrodzie bydła
prowadzonym tą metodą, między cielną krową a genetycznie obcym cielęciem zachodzi sytuacja
somatycznego niedopasowania nie pod względem jednego, lecz obu haplotypów BoLA, a
wygenerowane przeciwciała mogą się utrzymywać w surowicy biorczyń zarodków nawet przez kilka
lat.
Opisano zjawiska nieznane w reprodukcji bydła, mające charakter konfliktu serologicznego.
Konflikt może występować wtedy, gdy w immunostymulacji cielnej krowy zaangażowany jest
antygen transplantacyjny obecny u płodu, wykazujący pokrewieństwo z substancją grupową
występującą na erytrocytach. Takimi cechami charakteryzuje się antygen transplantacyjny BoLA-w16
i grupa krwi M’. W badaniach związanych z immunologią reprodukcji wykazano, że po powtarzanych
stymulacjach hormonalnych z użyciem pFSH dla wywołania superowulacji u krów i owiec,
wzbudzana jest odpowiedź immunologiczna anty-pFSH, co może prowadzić do obniżenia
skuteczności superowulacji w następnych cyklach. Wyniki badań w problemie „Genetyczna i
serologiczna organizacja głównego kompleksu zgodności tkankowej (BoLA) u bydła oraz odpowiedź
4
immunologiczna na skutek niedopasowania w antygenach transplantacyjnych”, zostały wyróżnione
nagrodą Sekretarza Naukowego PAN.
Programując w roku 1980 długofalowy rozwój badań nad genomem świń założono, że
„najbardziej perspektywiczne będą zapewne badania nad formą przejawiania się stanów
fizjologicznych lub chorobowych, w stosunku do których można by udowodnić bezpośredni lub
pośredni związek genów lub genotypów determinujących polimorfizm białek”. Przykładem tego typu
związków mogą być pierwsze informacje o ścisłej współzależności między wrażliwością świń na tzw.
stres halotanowy (syndrom malignant hyperhermia) a genotypami w loci PHI i 6-PGD. Problematykę
tę wprowadzono w roku 1986 do badań statutowych IGiHZ PAN jako temat “Zależność między locus
wrażliwości halotanowej u świń a cechami użytkowymi”. Uzyskane wyniki przyniosły istotne
informacje z zakresu wspomnianego przejawiania się stanów fizjologicznych/chorobowych oraz
możliwości ich monitorowania poprzez analizy grup krwi oraz obserwacje segregacji alleli z uładów
polimorficznych białek. Wyniki tych badań zostały uhonorowane w roku 1990 Nagrodą Zespołową
Polskiej Akademii Nauk i dały początek badaniom mającym na celu poszukiwanie innych loci o
znaczącym udziale w determinowaniu cech istotnych gospodarczo (QTL – quantitative trait loci),
genów głównych itp. Problematyka ta rozwinęła się w Polsce i na świecie w szeroki nurt badań nad
genomem świń. Podjęcie przez Zakład zagadnień dotyczących locus wrażliwości halotanowej i jego
związku z cechami użytkowymi miało ścisły związek z ówczesną sytuacją w hodowli świń, zwłaszcza
w krajach Europy Zachodniej. W związku z ukierunkowaniem hodowli trzody chlewnej na
zwiększanie mięsności tuszy, pojawiła się, najpierw w ograniczonym stopniu, a później w wymiarze
znaczącym ekonomicznie, wada genetyczna znana pod nazwą PSS (porcine stress syndrome – świński
syndrom stresowy) lub MHS (malignant hyperthermia syndrome – syndrom gorączki złośliwej).
Wobec faktu, że u niektórych osobników można było wywołać gorączkę złośliwą poddając je narkozie
wziewnej z użyciem halotanu, przyjęto roboczą nazwę syndromu „wrażliwość halotanowa”, a locus
kontolujący ten stan nazwano HAL (obecnie wiadomo, że gorączkę złośliwą kontroluje locus RYR1 –
receptor ryanodiny). Zwierzęta wrażliwe na halotan wykazywały po uboju mięso blade, miękkie i
wodniste, określane mianem PSE (pale, soft, exudative). W Polsce problem ten ujawnił się wraz z
wprowadzeniem do programów hodowlanych świń rasy landrace, najpierw linii belgijskiej, a
następnie niemieckiej, co spowodowało, zwłaszcza u świń rasy landrace, stały wzrost udziału mięsa o
cechach PSE. Dwa pierwsze w Polsce opracowania genetyczne dotyczące grupy sprzężeniowej
wrażliwości na halotan u świń, wykonano w Zakładzie we współpracy z Instytutem Fizjologii i
Genetyki Zwierząt Czeskiej Akademii Nauk w Libechov, gdzie nieco wcześniej podjęto tę
problematykę, a wyniki zaprezentowano w roku 1986 na zjeździe Polskiego Towarzystwa
Genetycznego w Gdańsku. Praca: „Dowody genetyczne uszeregowania markerów grupy
sprzężeniowej wrażliwości na halotan u świń” została na zjeździe wyróżniona. Loci grupy
sprzężeniowej uszeregowano wówczas w porządku (licząc od centromeru w prawo): S-Phi-HAL-HPo2-Pgd, co w generaliach zachowuje aktualność do dnia dzisiejszego. Uszeregowanie loci dało
początek tzw. haplotypowaniu, które umożliwiało odróżnianie już we wczesnym okresie chowu
osobników genetycznie wrażliwych na czynniki stresowe (homozygot recesywnych). W ten sposób
przeprowadzanie kojarzeń testowych w zakresie ujawniania się wrażliwości halotanowej stawało się
zbędne, a pojawiła się możliwość prowadzenia selekcji pośredniej w odniesieniu do wrażliwości
stresowej i związanego z tym syndromu obniżonej jakości mięsa PSE. Rozpoznanie skali problemu
wrażliwości halotanowej w polskiej hodowli świń landrace było przedmiotem rozprawy doktorskiej
Tomasza Wróblewskiego. Badania dotyczące tej problematyki są w Zakładzie kontynuowane i
koncentrują się obecnie na identyfikacji metodami molekularnymi nosicieli zmutowanego genu u
knurów w stadach zarodowych.
Na początku lat 90-tych podstawowymi narzędziami badań w Zakładzie stały się techniki
molekularne Przestawianiu warsztatu pracy na badania polimorfizmu DNA sprzyjał fakt współpracy z
krajowymi placówkami medycznymi, w których badania polimorfizmu DNA były już zaawansowane,
a także przeszkolenie pracowników w renomowanych laboratoriach za granicą. Umożliwiło to
jednoczesne zainicjowanie badań polimorfizmu DNA u bydła, świń i koni. W światowej hodowli
bydła zwrócono w tym czasie uwagę na fakt, że ostrej selekcji na cechy użytkowe towarzyszyć może
niezamierzone rozpowszechnianie mutacji, które wpływają ujemnie na zdrowie i zdolność zwierząt do
rozrodu. Z zakresu tej problematyki realizowano w Zakładzie dwa projekty badawcze finansowane
przez KBN. Kategoria zmian czynnościowych wywołanych zmianami w sekwencji DNA określana
5
jest mianem „defektów” (chorób) genetycznych. Niezależnie od możliwości wystąpienia silnego
związku danego defektu z priorytetem selekcji hodowlanej, gromadzeniu zmian DNA w puli genów
populacji sprzyja ich z zasady recesywny charakter, a więc nieujawnianie się biologicznych skutków
defektu w genotypach heterozygotycznych. Takie mutacje trwają w populacji w formie nosicielstwa, a
fakt, że zwierzę ma w genomie jakiś defekt, jest w praktyce trudny lub wręcz niemożliwy do
wykrycia. W światowej hodowli mlecznego bydła hf szczególnie istotną gospodarczo stała się mutacja
punktowa A/G w genie CD18 (oznaczana jako D128G). Normalny allel tego genu oznaczany jest jako
TL, a zmutowana forma jako allel BL. Mutacja D128G odpowiedzialna jest za występowanie
wrodzonego niedoboru leukocytarnych cząsteczek adhezyjnych (bovine leukocyte adhesion deficiency
– BLAD). U homozygot recesywnych (genotyp BL/BL), leukocytarne receptory Leu-Cam niezbędne
w procesie zwalczania infekcji zatracają swą biologiczną funkcję, a normalnie działający nadzór
immunologiczny w organizmie zostaje pozbawiony istotnego mechanizmu efektorowego. Takie
zwierzęta padają lub są eliminowane z hodowli we wczesnym okresie odchowu. Natomiast nosiciele
zmutowanego genu (genotyp TL/BL) nie odbiegają w sprawności immunologicznej od zwierząt
normalnych, a w zakresie użytkowości mlecznej nawet je przewyższają. Wyeliminowanie allelu BL z
populacji przy wykorzystaniu konwencjonalnych metod selekcji nie jest więc możliwe. Stwierdzono,
że krowy-nosicielki wyprodukowały o 218 kg mleka oraz 7,3 kg więcej białka niż ich półsiostry o
genotypie normalnym. Wyniki te wskazują, że allel BL wiąże się w jakiś sposób ze zwiększoną
produkcyjnością krów. Występowanie i znaczenie mutacji D128G w polskiej hodowli bydła było
przedmiotem rozprawy doktorskiej Krzysztofa Lubienieckiego. W polskiej populacji bydła cb
występują trzy główne linie obciążone mutacją D128G, wywodzące się od buhajów holsztyńskofryzyjskich. Wykazano, że około 50% buhajów rasy hf importowanych do Polski do 1992 r.
znajdowało się w tzw. grupie ryzyka BLAD. Dla potrzeb monitorowania allelu BL w puli genowej
polskiej populacji bydła opracowano procedury dwóch testów PCR-RFLP oraz procedurę
automatycznej analizy sekwencji genu CD18 w rejonie występowania mutacji D128G.
Zidentyfikowano pełną sekwencję DNA w eksonie 5 genu CD18 u bydła, tzn. w rejonie asocjacji
podjednostek w receptorach Leu-Cam, gdzie występuje mutacja D128G. Informacje na ten temat
weszły do światowej bazy danych GenBank. Od 1995 roku badania z zakresu monitorowania mutacji
BLAD w puli genowej bydła są uwzględniane w krajowym programie hodowlanym, a od 1999
diagnostyka tej mutacji jest także obowiązkowym elementem polskiego nadzoru weterynaryjnego.
W bezpośrednim związku z występowaniem syndromu BLAD pozostaje wada genetyczna bydła
określana mianem CVM (complex vertebral malformation – zespół zniekształceń kręgosłupa),
zidentyfikowana w roku 2000 u bydła hf w Danii. CVM jest jednogenową, autosomalną wadą
recesywną przenoszoną przez nosicieli (gen normalny oznacza się umownie jako TV, a jego
zmutowaną postać jako allel CV). Około 80% homozygotycznych genotypów CV/CV podlega
eliminacji już we wczesnym stadium rozwoju prenatalnego. W badaniach Zakładu wyodrębniono
grupę potencjalnych nosicieli CVM oraz określono stopień zagrożenia tym defektem polskiej hodowli
bydła cb. Wykazano, że w polskim rejestrze buhajów reprodukcyjnych występuje około 300 wnuków
światowego protoplasty CVM. Stwierdzono także, że genom głównego światowego protoplasty CVM
jest obciążony także mutacją D128G (allelem BL), co wskazuje na ścisły związek między
występowaniem obu syndromów. Ponieważ jednak allel CV oraz allel BL segregują niezależnie,
prowadzenie selekcji negatywnej na allel BL, co ma miejsce także w Polsce, nie eliminuje z puli
genowej populacji allelu CV.
Rezultatem prac Zakładu nad mutacjami genomu bydła istotnymi gospodarczo jest także
molekularna procedura PCR-RFLP przystosowana do badań rutynowych, umożliwiająca
monitorowanie w genomie bydła mutacji DUMPS (niedobór syntazy urydynomonofosforanowej –
deficiency of uridine monophosphate syntase) wpływającej na obumieranie zarodków w okresie ich
implantacji w macicy. Opracowano także procedurę automatycznego sekwencjonowania genu UMPS,
która może być wykorzystana w różnicowej analizie etiologii zaburzeń niepłodności u krów.
Jak już wspomniano, genetyczna podatność świń na stres (tzw. wrażliwość halotanowa),
objawiająca się po uboju występowaniem mięsa o cechach PSE wystąpiła również w hodowli
polskiej, zwłaszcza u świń rasy landrace. Zakład dysponuje obecnie skutecznym testem
molekularnym, umożliwiającym zidentyfikowanie nosicieli zmutowanego genu. Test wykorzystuje się
obecnie w programie oceny męskiego materiału hodowlanego, co umożliwia jego odpowiednią
selekcję.
6
Od 10 lat realizowane są w Zakładzie badania zmierzające do identyfikacji innych genów, których
udział w kształtowaniu tuszy świń jest znaczący. W tym obszarze we współpracy z Instytutem
Zootechniki, AR w Poznaniu i AT-R w Bydgoszczy realizowano dwa projekty finansowane przez
KBN. Dla potrzeb prowadzenia badań, utworzono rodzinę referencyjną z wykorzystaniem loch rasy
wbp i knurów rodzimej rasy złotnickiej pstrej (złp). Obok tzw. klasycznych markerów genetycznych, a
więc grup krwi i polimorficznych białek krwi (określnych mianem markerów klasy I) wprowadzono
do analiz mikrosatelitarne sekwencje DNA (zwane markerami klasy II). W analizach molekularnostatystycznych, jakimi objęto także wyniki kontroli użytkowości rzeźnej materiału ze wspomnianej
rodziny referencyjnej, zidentyfikowano u świń rejon chromsomu 12, który prawdopodonie zawiera
gen lub geny istotnie wpływające na zawartość sadła w tuszy. Ponadto wytypowano kilka innych
rejonów genomu, w których – jak się wydaje – mogą być umiejscowione geny wpływające na grubość
słoniny i zawartość mięsa w poszczególnych wyrębach. Na uwagę zasługuje tu m.in. wykazanie, że z
punktu widzenia zawartości mięsa w szynce niektóre warianty (allele) analizowanych genów
występujące u świń rasy złp są korzystniejsze niż występujące w rasie wbp. Wynik ten należy uznać
za wysoce zaskakujący, gdyż świnia złotnicka pstra jest powszechnie uważana jest za rasę o gorszych
parametrach pod względem mięsności niż rasa wbp.
Wyniki badań nad poszukiwaniem w genomie świń rejonów występowania genu lub genów
wpływających na parametry jakości tuszy były przedmiotem rozpraw doktorskich Iwony
Cymerowskiej-Prokopczyk, Agnieszki Kossakowskiej i Mariusza Pierzchały. Za badania „Mapowanie
genów wpływających na jakość tuszy świń”, ich realizatorzy uzyskali w roku 1999 Nagrodę
Zespołową Wydziału Nauk Rolniczych, Leśnych i Weterynaryjnych PAN. Pracownicy Zakładu
kontynuowali te prace uczestnicząc w projekcie finansowanym przez UE, koordynowanym przez prof.
H. Geldermanna z Uniwersytetu Hohenheim w Stuttgarcie (Niemcy). W chromosomach 15, 16 i 17
zlokalizowali loci cech ilościowych (QTL) istotnie wpływające na wartość niektórych cech jakości
tuszy i mięsa świń. Wyniki te, wraz z rezultatami uzyskanymi przez innych realizatorów projektu,
opublikowano w roku 2003 w numerze specjalnym Journal of Animal Breeding and Genetics.
W drugiej połowie lat 90-tych omawiane badania przybrały w Zakładzie formę analiz
polimorfizmu wybranych genów (tzw. genów kandydujących), istotnych dla jakości tuszy oraz
reprodukcji. Badania te podjęto we współpracy z Instytutem Zootechniki oraz Katedrą Hodowli
Trzody Chlewnej AT-R w Bydgoszczy, w ramach trzech projektów finansowanych przez KBN.
Natomiast równolegle zainicjowane badania polimorfizmu genów kandydujących w odniesieniu do
jakości mięsa, realizowane są we współpracy z Katedrą Hodowli Trzody Chlewnej i Jakości Mięsa
Akademii Podlaskiej w Siedlcach. Problematyka dotycząca analizy polimorfizmu genów z rodziny
MyoD i jego wpływu na cechy jakości tuszy była przedmiotem rozprawy doktorskiej Danuty Cieślak.
Szersze opracowania tych zagadnień są obecnie przygotowywane w formie rozpraw habilitacyjnych
Agnieszki Kossakowskiej (geny kandydujące w reprodukcji świń ) i Mariusza Pierzchały
(polimorfizm genów czynników wzrostowych i ich receptorów oraz genu czynnika transkrypcyjnego
Pit1 i jego oddziaływanie na tempo wzrostu i cechy mięsności tuszy świń). W najnowszych badaniach
nad genomem świń zwraca uwagę fakt zidentyfikowania nowych mutacji SNPs (single nucleotide
polymorphism) w genach z rodziny MyoD. Ponadto zsekwencjonowano gen MYF6 należący do tej
rodziny, którego struktura nie była dotychczas poznana. Nowe SNP, jak i opracowaną sekwencję genu
MYF6 przyjęto do międzynarodowej bazy danych GenBank. Wykazano istotne zależności między
występowaniem niektórych wykrytych mutacji genów z rodziny MyoD a tempem przyrostu masy ciała
i zawartością mięsa w tuszy świń. Badania te zostały wykonane w ramach grantu zamawianego
finansowanego przez KBN, jako jeden z 11 podtematów realizowanych w pięciu placówkach
naukowych w Polsce, a ich wyniki były przedmiotem rozpraw doktorskich Joanny Wyszyńskiej-Koko
i Pawła Urbańskiego. Zespół za badania polimorfizmu i identyfikację genów markerów związanych z
użytkowością świń w 2005 roku otrzymał dyplom uznania Wydziału Nauk Rolniczych, Leśnych i
Weterynaryjnych Polskiej Akademii Nauk.
Udomowienie i hodowla w różnych środowiskach doprowadziły do powstania około 4500 ras
wytworzonych z około 40 dziko żyjących gatunków zwierząt. Jednak w ostatnich dziesięcioleciach
nastąpiło znaczne ograniczenie zmienności genetycznej w populacjach hodowlanych, a ostra selekcja
na wysoką produkcję doprowadziła do poważnego naruszenia i osłabienia właściwości adaptacyjnych
zwierząt – np. odporności na choroby czy plenności. Pod auspicjami FAO zapoczątkowano w roku
1995 światowy program, którego integralną częścią jest rozpoznawanie i ochrona zasobów
7
genetycznych zwierząt gospodarskich. Zasadniczy postęp w rozwoju tej problematyki stał się możliwy
dzięki opanowaniu metody enzymatycznego sekwencjonowania DNA. Natomiast technologicznym
przełomem stało się wprowadzenie do laboratoriów aparatów nowej generacji, zwanych
sekwenatorami DNA, co umożliwiło zautomatyzowanie technik analitycznych i prowadzenie badań na
dużą skalę. W Zakładzie podjęto badania z tego zakresu nad bydłem i końmi. Szczególnie skutecznym
narzędziem w analizach genomu okazały się wysoce polimorficzne sekwencje „samolubnego DNA”,
tworzące tandemowe bloki o różnej długości, określane mianem mikrosatelitów DNA. Badania nad
bydłem przeprowadzono w ramach europejskiego programu, zmierzającego do charakterystyki
zróżnicowania genetycznego ras na podstawie zunifikowanego zestawu 30 loci. W testowaniach
wykorzystano opracowane i zoptymalizowane w Zakładzie multipleksy reakcji PCR. Multipleksy to
kolejny etap w automatyzacji genetycznych analiz DNA, a ich stosowanie jest szczególnie istotne w
badaniach prowadzonych na szeroka skalę, gdyż dysponując próbką DNA można w niej
zamplifikować (a zatem wykryć) jednocześnie kilka lub kilkanaście alleli różnych loci. Największy
multipleks opracowany dotąd w Zakładzie umożliwia jednoczesne zidentyfikowanie w jednej reakcji
PCR 12 alleli mikrosatelitów z sześciu loci, a nadto pozwala na zidentyfikowanie płci zwierzęcia, od
którego pochodzi analizowany DNA. Problematyka ta była przedmiotem rozprawy doktorskiej Joanny
Lubienieckiej. Uzyskano m.in. nowe informacje na temat rodzimego bydła rasy polskiej czerwonej z
hodowli zachowawczej. Na tle porównań z innymi rasami europejskimi charakteryzuje się ono
wysoką zmiennością genetyczną (He=0,703; Ho=0,695; średnia liczba alleli w locus = 7,4). Wyniki
szacowania genetycznego dystansu Dps. oparte na obecności w genomie tzw. alleli specyficznych dla
rasy dowodzą, że 80% osobników badanej stawki bydła rasy pc tworzy odrębną i unikalna grupę
rasową. W badaniach mikrosatelitów DNA u koni, Zakład wykorzystuje komercyjny zestaw
kilkunastu loci mikrosatelitarnych. Dotychczas scharakteryzowano pod tym względem polskie
populacje koni arabskich czystej krwi oraz koni pełnej krwi angielskiej. Wyniki tych badań były
przedmiotem prac doktorskich Barbary Gralak i Cezarego Niemczewskiego. Aktualnie analizy
mikrosatelitów DNA wykorzystuje się także w kontroli rodowodów koni obu ras.
Najnowszym nurtem badawczym Zakładu jest filogenetyka molekularna, z wykorzystaniem
polimorfizmu mitochondrialnego DNA. Podstawowym elementem analiz z tego zakresu jest
rozpoznawanie pochodzenia anonimowych śladów biologicznych (identyfikacja gatunków) oraz
określanie genetycznych współzależności między taksonami. W dotychczas wykonanych analizach
określono stopień niezawodności odróżnienia anonimowych śladów biologicznych ludzi i zwierząt,
oraz określono siłę dyskryminacji układu cytb mtDNA przy identyfikacji anonimowych śladów
pochodzących od gatunków ewolucyjnie pokrewnych (np. od bizonów, żubrów lub bydła domowego).
Rozróżnienie tego rodzaju jest ważne w ochronie przyrody, w nadzorze sanitarno-weterynaryjnym nad
produktami pochodzenia zwierzęcego, medycynie sądowej itp. Dotychczas zidentyfikowano
sekwencje nukleotydowe i aminokwasowe obejmujące rejon genomu mtDNA 14897-15170, które są
charakterystyczne dla 14 gatunków zwierząt gospodarskich i wybranych gatunków zwierząt dzikich.
Uzyskane wyniki zostały wprowadzone do światowej bazy danych danych GenBank. Stwierdzono, że
sekwencja człowieka różni się od sekwencji pozostałych gatunków co najmniej 70 podstawieniami
nukleotydowymi, co dowodzi, że prawdopodobieństwo trafnego rozróżnienia śladów ludzkich od
zwierzęcych na podstawie analizy sekwencji genu cytb mtDNA jest tożsame z pewnością, a siła
dyskryminacji tego układu przy rozpoznawaniu próbek uzyskanych od zwierząt należących nawet do
pokrewnych grup taksonomicznych jest bardzo wysoka. Nadto wykazano, że polimorfizm sekwencji
genu cytb mtDNA jest modelem biologicznym dobrze odwzorowującym historię specjacji różnych
taksonów, zwłaszcza gatunków z rodziny Bovidae. Zagadnienia te były tematem rozprawy
doktorskiej Beaty Prusak i są kontynuowane we współpracy z krajowymi placówkami
zaangażowanymi w ochronę przyrody.
W okresie 50-letniej działalności Instytutu, jego 23 pracowników zajmujących się
immunogenetyką uzyskało stopień doktora nauk rolniczych, pięć stopień doktora habilitowanego, a
czworgu nadano tytuł naukowy profesora. Dane te nie obejmują osób spoza Instytutu, które uzyskały
stopnie naukowe współpracując z Zakładem lub będąc pod jego merytoryczną opieką. Niemal
wszystkie nowe kierunki badań Zakładu (poza analizami grup krwi u kur), stały się inspiracją podjęcia
podobnej problematyki w innych polskich placówkach, często przez pracowników, którzy odbyli
naukowe staże w Zakładzie. Szczególnie owocne w tym względzie były lata 1986-1990, kiedy to w
ramach problemu centralnego 05.05 „Genetyczne i fizjologiczne podstawy wzrostu produkcji zwierząt
8
gospodarskich z wykorzystaniem biotechnik” Zakład Immunogenetyki Zwierząt sprawował
merytoryczny nadzór i kierował grupą tematyczną „Immunogenetyczne i immunologiczne markery
sprawności biologicznej organizmu”, w ramach której realizowano w Polsce 16 tematów badawczych.
Od początku zainicjowania w Polsce badań z dziedziny immunogenetyki zwierząt, problematyka
badawcza Zakładu związana jest z genetyką cech jakościowych i dotyczy układów wpływających na
zdolności adaptacyjne i zdrowie zwierząt oraz identyfikacji markerów przydatnych w selekcji i chowie
zwierząt gospodarskich. Zakład Immonegentyki Zwierząt jest najstarszą i jedyną jednostką Instytutu,
która (poza likwidacją Pracowni Immunogenetyki Drobiu) nie przechodziła przeobrażeń
organizacyjnych, zachowując własny i oryginalny kierunek badań. Techniki badawczoidentyfikacyjne przeszły w tym okresie znaczącą ewolucję - od badań definiujących genetyczne
podstawy występowania grup krwi u zwierząt, poprzez interdyscyplinarne badania nad markerami
cech fizjologicznych, do badań molekularnych mających na celu identyfikację genów i ich wariantów
warunkujących produkcyjność zwierząt oraz zdrowotność i bioróżnorodność gatunków i ras. W
problematyce badawczej Zakładu w minionym 50-leciu, obok walorów poznawczych, uwagę zwraca
praktyczna użyteczność wyników badań. W kolekcji licznych indywidualnych nagród pracowników
Zakładu, znajduje się również odznaka “Zasłużony dla Kółek Rolniczych” co, jak się wydaje, dobrze
charakteryzuje aplikacyjne walory badań. Wiele z pionierskich zagadnień podjętych w Zakładzie w
mijającym półwieczu stanowi modelowe przykłady, jak zainicjowane ab ovo badania podstawowe
mogą podlegać korzystnym zmianom i stopniowo przeobrażać się w badania podstawowo-stosowane,
by wreszcie stać się trwałym elementem praktyki hodowlanej.
9