Genetyka - Program międzynarodowej standaryzacji genetycznej (IGS)
Opracowanie w przystępny sposób prezentuje program międzynarodowej standaryzacji genetycznej (ang. IGS International Genetic Standard) wdrożony w Charles River w 1992 roku. IGS jest narzędziem służącym do zarządzania stanem zdrowia oraz jakością genetyczną zwierząt laboratoryjnych, w szczególności myszy i szczurów pochodzących zarówno ze stad niekrewniaczych jak i szczepów wsobnych, utrzymywanych w ośrodkach Charles River. Założenia programu obejmują optymalizację czterech najważniejszych procesów: zarządzania monitoringiem zdrowia i monitoringiem genetycznym, zapewnienia jakości i działań operacyjnych. Bieżący artykuł poświęcony jest wyłącznie zarządzaniu jakością genetyczną hodowli zwierząt laboratoryjnych.
Cele programu różnią się nieznacznie w zależności od rodzaju hodowli. W przypadku stad niekrewniaczych najważniejszym zadaniem jest ograniczenie chowu wsobnego, podtrzymanie heterozygotyczności i zarządzanie dryfem genetycznym. Brak kontroli nad tymi zmiennymi prowadzi do zróżnicowania genetycznego równorzędnych hodowli zwierząt utrzymywanych w różnych ośrodkach Charles River. W odniesieniu do szczepów wsobnych rozwiązania IGS wspierają hamowanie heterogeniczności genetycznej między równorzędnymi, izolowanymi hodowlami, jak również zapobiegają kontaminacji genetycznej wynikającej z przypadkowego skojarzenia osobników różnych szczepów. Zarządzanie jakością genetyczną w połączeniu z pozostałymi trzema elementami (monitoringiem zdrowia, zapewnieniem jakości i działaniami operacyjnymi) umożliwia ujednolicenie równorzędnych hodowli zwierząt utrzymywanych w ośrodkach odległych geograficznie.
Zarządzanie jakością genetyczną stad niekrewniaczych
Zróżnicowanie genetyczne równorzędnych stad lub szczepów zwierząt utrzymywanych w izolacji jest naturalną konsekwencją dryfu genetycznego. Dryf jest zjawiskiem nieuniknionym, a niekontrolowany skutkuje co najmniej umiarkowanym zróżnicowaniem izolowanych od pokoleń hodowli gryzoni.
W przypadku izolowanych stad niekrewniaczych najważniejszym zadaniem jest utrzymanie zróżnicowania na stałym poziomie, przy jednoczesnej gwarancji identycznego zakresu zmienności genetycznej w obrębie każdej z indywidualnych hodowli produkcyjnych.
Do czasu opracowania modelu szczura IGS CD®, Crl:CD(SD) hodowcy komercyjni, w tym Charles River tworzyli nowe stada niekrewniacze głównie w oparciu o rederywację i transfer zarodków. W celu zapewnienia i utrzymania różnorodności genetycznej stosowano system kojarzeń losowych. Ponieważ każda nowo zakładana hodowla utrzymywana była w izolacji od pozostałych, efekty dryfu genetycznego były jedynie kwestią czasu. Aby rozwiązać problem i uzyskiwać zwierzęta o porównywalnym tle genetycznym bez względu na miejsce urodzenia, w 1992 roku, Charles River utworzył hodowlę zarodową modelu Crl:CD(SD). Stado założono w Wilmington (MA) sprowadzając 100 par zwierząt modelu Crl:CD(SD) z hodowli rozproszonych po całym świecie. Umieszczoną w izolatorach hodowlę zarodową otrzymano typując po jednym osobniku z 200 miotów, uzyskanym metodą rederywacji. Taki sposób postępowania umożliwił przechwycenie obszernej puli genów, przy jednoczesnej gwarancji wysokiego statusu zdrowotnego, a wprowadzenie systemu kojarzeń rotacyjnych ograniczyło prawdopodobieństwo chowu wsobnego. Następny etap budowania stada polegał na zasiedleniu stref hodowlanych za barierą sanitarną we wszystkich ośrodkach Charles River utrzymujących model CD® potomstwem każdej pary rodzicielskiej utrzymywanej w izolatorach w Wilmington. Obecnie oprócz modelu szczura CD®, Charles River hoduje w systemie IGS kilkanaście innych modeli zwierząt, w tym szczury Wistar i Wistar Han oraz model myszy CD-1®.
W celu ograniczenia inbredu, losowe kojarzenie par zastąpiono systemem kojarzenia blokowego. Kolejnym kluczowym narzędziem w zarządzaniu hodowlą szczura IGS CD® było zastosowanie tzw. migracji: co trzy lata samce w stadzie produkcyjnym wymieniane są na zwierzęta ze stada zarodowego (Rycina 1), a raz w roku, określona ilość zwierząt ze stada produkcyjnego zastępuje 5% par rodzicielskich w stadzie zarodowym (Rycina 2). Systemy migracji progresywnych i wstecznych działając jak swoisty „klej genetyczny” łączą hodowle, dając pewność, że żadna z nich nie różni się znacznie od pozostałych. W rezultacie wszystkie izolowane stada łączą się w jedną, wielką hodowlę rozproszoną w licznych ośrodkach na całym świecie.
Zarządzanie jakością genetyczną szczepów wsobnych
W odróżnieniu od chowu niekrewniaczego, w którym zarządzanie jakością genetyczną ma na celu utrzymanie zróżnicowania genetycznego; zarządzanie chowem wsobnym ukierunkowane jest na uzyskanie i utrzymanie możliwie najwyższego poziomu ujednolicenia profili genetycznych poszczególnych osobników w obrębie szczepu. Szczep wsobny to grupa potomków co najmniej dwudziestu wcześniejszych generacji wywodzących się od tej samej pary rodzicielskiej i kojarzonych w bliskim pokrewieństwie (brat z siostrą). Taki schemat kojarzeń pozwala na uzyskanie zwierząt zasadniczo identycznych genetycznie, tj. wolnych od różnic genetycznych, które mogłyby zwiększyć zmienność wyników eksperymentów. Charles River korzysta z piramidy systemu kojarzeń (Rycina 3) łączącej jądra zarodowe danego szczepu z kolejnymi poziomami hodowlanymi. W omawianym systemie jądra zarodowe (gnotobionty z izolatorów), stanowiąc standard zdrowotny i genetyczny, są jednocześnie źródłem reproduktorów dla rodowodowego stada zarodowego umieszczonego za barierą sanitarną (górna część piramidy). Zwierzęta z tego poziomu to stosunkowo nieliczna ilość par zarodowych (brat + siostra), których potomstwo po części odtwarza własny poziom struktury, po części jest źródłem rozpłodników dla niższego piętra piramidy. W większych hodowlach niższa kategoria to tzw. populacja hodowlana – dostarcza pary rodzicielskie dla kolejnego ogniwa, czyli populacji produkcyjnej, która z kolei jest bezpośrednim źródłem zwierząt do zastosowań eksperymentalnych. Mniejsze hodowle nie posiadają populacji hodowlanej – tutaj rodzice populacji produkcyjnej pochodzą bezpośrednio ze stada zarodowego. Tak zorganizowana hodowla gwarantuje jednokierunkowy przepływ materiału genetycznego, umożliwiający szybkie eliminowanie (w ciągu jednego pokolenia) ewentualnych, spontanicznych zmian genetycznych, w tym mutacji, których ujawnienie się jest bardziej prawdopodobne w większych populacjach hodowlanych lub produkcyjnych, niż w mniejszych stadach zarodowych.
Kumulacja różnic genetycznych wywołanych dryfem genetycznym jest nieunikniona. Charles River efektywnie zarządza dryfem, korzystając z kilku wypróbowanych rozwiązań. Między innymi, wykorzystywana jest umiejętność obserwacji zmian w fenotypie zwierząt. Nietypowy fenotyp może być istotną przesłanką, świadczącą o pojawieniu się zmian genetycznych. Personel pracujący ze zwierzętami przeszkolono w kierunku rozpoznawania i raportowania tego typu zdarzeń. Precyzyjna eliminacja osobników o niestandardowym fenotypie, połączonaz „piramidą systemu kojarzeń” stanowi skuteczne narzędzie zaradcze hamujące rozprzestrzenianie się potencjalnej zmiany. Podobnie jak w przypadku stad niekrewniaczych, program migracji wdrożono również w hodowli szczepów wsobnych.Tutaj migracja służy podtrzymaniu zbieżności profili genetycznych hodowli utrzymywanych w różnych ośrodkach. Hodowle zarodowe wymienia się co trzy do pięciu lat (w ciągu 10 pokoleń) przemieszczając zwierzęta z jądra zarodowego do hodowli za barierą sanitarną. Jako zabezpieczenie na wypadek dowolnych, niepożądanych zdarzeń mogących skutkować jednoczesną utratą wielu jąder zarodowych, Charles River utrzymuje odpowiednią ilość zamrożonych zarodków - wystarczającą do wielokrotnego, całkowitego zastąpienia utraconych populacji szczepów wsobnych.
Wnioski dotyczące globalnej hodowli stad niekrewniaczych i szczepów wsobnych
Działanie o zasięgu globalnym, w tym prowadzenie hodowli w obiektach odległych geograficznie, stawia przed Charles River wyjątkowe wyzwania związane z zapewnianiem jakości genetycznej zwierzętom hodowanym w różnych lokalizacjach i różnych systemach – zarówno niekrewniaczych jak i wsobnych. Opisany program jest skutecznym narzędziem wspierającym zapewnienie tego samego profilu genetycznego hodowlom szczepów wsobnych do zastosowań naukowych utrzymywanym w odrębnych zwierzętarniach, a zwierzętom ze stad niekrewniaczych gwarantuje identyczny poziom heterogeniczności genetycznej. Dryf genetyczny może być przyczyną trwałych zmian w każdej populacji. Jego wpływ można ograniczyć utrzymując niewielką „samoodnawiającą” się populację: mała populacja jest rezerwuarem mniejszej ilości mutacji. Tu należy wspomnieć o powszechnym wśród hodowców komercyjnych utrzymywaniu wielu różnych szczepów wsobnych w tym samym obiekcie – praktyce stwarzającej potencjalne zagrożenie niezamierzoną kontaminacją genetyczną jednego szczepu przez inny (np. w efekcie przypadkowego skojarzenia przedstawicieli różnych szczepów). Mimo ograniczania ryzyka przez właściwe zarządzanie hodowlą (m.in. utrzymywanie w jednym pokoju hodowlanym szczepów o różnym kolorze okrywy włosowej), wykluczenie kontaminacji musi być poparte rutynową diagnostyką laboratoryjną. Charles River korzysta z panelu markerów polimorfizmu 32 pojedynczych nukleotydów (SNPs) różnicującego szczepy wsobne, utrzymywane we wszystkich obiektach hodowlanych. Badanie wykonywane jest co kwartał; obejmuje każdy poziom piramid kojarzeń we wszystkich zwierzętarniach, tak więc każda indywidualna hodowla szczepu wsobnego posiada własny certyfikat jakości genetycznej.
