Untersuchungen zur genetischen Prädisposition im Zusammenhang mit dem Entzündungs- und Nekrosesyndrom beim Schwein

Schübe von Schwanz- und Ohrbeißen können zu erheblichen ökonomischen Belastungen führen sowie das Tierwohl massiv einschränken. Daher wird zur Vermeidung von Schwanzbeißen in der EU 95 % der Saugferkel der Schwanz kupiert. Das routinemäßige Kupieren ist jedoch durch die EU Richtlinie 2008/120/EG verboten. Es werden von Seiten der Gesellschaft und der EU Maßnahmen zur Vermeidung von Schwanzbeißen und der Ausstieg aus dem routinemäßigen Schwanzkupieren gefordert.

Nekrosen- und entzündliche Veränderungen können aber auch ohne das Zutun anderer Schweine entstehen. Diese treten dann im überwiegenden Fall nicht nur am Schwanz, sondern an weiteren Organen gleichzeitig auf. Empfänglich sind Ohren, Schwanz, Klauen, Ballen, Kronsaum, Gesicht, Zitzen und Vulva. Aus der Tatsache des parallelen Auftretens von Nekrosen und Entzündungen an mehreren Körperteilen und des Vorkommens bei neonatalen Saugferkeln wurde das „Swine Inflammation and Necrosis Syndrome“ (SINS) abgeleitet. Als Hauptursache wird eine massive Anflutung von Endotoxinen aus dem Darm über die Leber in den Körperkreislauf vermutet, die zur Aktivierung der Abwehr führt. Zahlreiche Arbeiten zeigen anhand klinischer, histologischer, metabolomischer und transkriptomischer Ergebnisse, dass schließlich systemische und lokale Entzündungsprozesse in Gang gebracht und Blutgefäße an den Akren verlegt werden. Daraufhin zeigen sich Entzündungssymptome bis hin zu Nekrosen in den zu versorgenden Geweben.

Aufbauend auf diesen Erkenntnissen war es das Ziel der vorliegenden Arbeit Einblicke in die Pathogenese von SINS durch die Suche nach beteiligten Genen zu generieren. Hierfür wurden zunächst Ebern mit unterschiedlicher Empfindlichkeit ihrer Nachkommen gegenüber SINS identifiziert und über Mischsperma zur Reduktion von Umwelteffekten an insgesamt 27 Sauen einer Danzucht-Kreuzung angepaart, um die Segregation der assoziierten Gene mittels Genomweiter Assoziationsstudie (GWAS) zu untersuchen. Insgesamt wurden 8 Eber aus zwei unterschiedlichen Linien einbezogen. Auch die Sauen wurden hinsichtlich Entzündungen in den Bereichen Klauen, Gesäuge, Haut, Ohren und Schwänze am 50. Trächtigkeitstag und am 3. post partum fotografiert und bonitiert. Von 27 Sauen wurden 477 Ferkel geboren, von denen am 3. Lebenstag 402 Saugferkel, am 39. Lebenstag 382 Aufzuchtferkel, am 81. Lebenstag 366 Vormastschweine und am letzten Lebenstag 347 Endmastschweine fotografiert und später bonitiert wurden. Um zu erwartende exzessive Schwanzbeißschübe zu vermeiden wurden die Saugferkel im laufenden Betrieb am dritten Tag am Schwanz kupiert. Aus den kupierten Schwanzspitzen wurde später die DNA der Ferkel isoliert und der Vaterschaftstest und die genomweite Assoziationsstudie (GWAS) (PorcineSNP60-BeadChip, Illumina) durchgeführt. Für die Untersuchung zur genetischen Prädisposition mussten in jedem Wurf mindestens 3 Nachkommen beider Eber vorhanden sein. So standen am Ende 260 Saugferkel, 243 Aufzuchtferkel, 233 Vormastschweine und 233 Endmastschweine zur Verfügung.

Der erste Teil der Fragestellung folgte der Hypothese, dass SINS-assoziierte Veränderungen an mehreren Organen gleichzeitig auftreten. Bei Saugferkeln waren durchschnittlich 4,78 ± 1,21 (MW ± SD) und bei Aufzuchtferkeln 4,14 ± 1,21 (MW ± SD) der 8 untersuchten Organe gleichzeitig betroffen, was die Hypothese bestätigt. Hypothese zwei und drei gingen davon aus, dass SINS- assoziierte Veränderungen mit zum Teil hohen Prävalenzen in unterschiedlichen Altersstufen auftreten. Tatsächlich traten entzündliche Veränderungen an den Ohren, der Schwanzbasis und –spitze bei mehr als der Hälfte der Saugferkel auf. SINS-assoziierte Symptome an den Zitzen waren bei bis zu 39,6 % der Saugferkel zu finden. Veränderungen an den Klauen wie Balleneinblutungen und Kronsaumentzündungen wiesen zwischen 33,6 und 86,1 % der Saugferkel auf. Veränderungen an den Ohren und der Schwanzspitze waren bei knapp dreiviertel der Flatdeckferkel zu beobachten. Zitzenläsionen wurden hier bei bis zu 33,2 % der Aufzuchtferkel beobachtet. Veränderungen der Klauen wurden an bis zu 73,8 % der Ferkel nachgewiesen. Mehr als die Hälfte der Vormastschweine zeigten Symptome an den Ohren und der Schwanzspitze. Bei den Endmastschweinen wiesen mehr als die Hälfte der Tiere Läsionen an den Ohren und der Schwanzspitze auf. Hypothese vier untersuchte den Einfluss der Muttersau auf die Prävalenz und der Intensität von SINS ihrer Nachkommen. Dieser Effekt war in vorliegender Studie nur geringgradig ausgeprägt. Hypothese fünf in Bezug auf einer signifikanten Rolle der Eber auf die quantitative Ausprägung von SINS ihrer Nachkommen konnte ebenfalls bestätigt werden: So zeigten sich die Nachkommen des Ebers 2 signifikant (p < 0,05) unempfindlicher gegenüber dem Syndrom als Nachkommen der Eber 1, 3, 4, 5, 6 und 8. Ungünstige und günstige Eber traten in beiden Linien auf. Dennoch ergaben sich auch signifikante Linieneffekte. Hypothese sechs beschäftigte sich mit der genetischen Basis der gefundenen Ebereffekte und führte zu 38 über das gesamte Genom verteilten Genmarkern mit Assoziation zu den SINS-Phänotypen. Aus der Lage der Marker wurden potentielle Kandidatengene abgeleitet. Allerdings konnten keine funktionalen Marker kartiert werden, für die eine funktionale Veränderung des Genprodukts, qualitativ oder quantitativ bekannt gewesen wäre. Die assoziierten Marker lagen im Bereich der Kandidatengene TLR7 (Toll-Like Receptor 7), TLR8 (Toll-Like Receptor 8), TMSB4X (Thymosin Beta 4 X-Linked), MOSPD2 (Motile Sperm Domain Containing 2), ACE2 (Angiotensin Converting Enzyme 2), F2 (Thrombin-Gen), F9 (Gerinnungsfaktor IX), LOX (Lysyl-Oxidase), TNFAIP 8 (TNF Alpha Inuced Protein 8), BCLxL (Apoptosis Regulator Bcl-X), RAB9A (RAB9A, Member RAS Oncogene Family) und DDX3X (DEAD-Box Helikase 3 X-Linked). Die Marker belegen die genetische Basis der bekannten unterschiedlichen Empfindlichkeiten gegenüber SINS in den Nachkommen unterschiedlicher Eber. Sie könnten als nichtfunktionale Marker in der Selektion gegen das Syndrom eingesetzt werden. Es bleibt jedoch weiteren Studien vorbehalten, die funktionalen Genvarianten zu identifizieren.

Insgesamt kann aus dieser Studie gefolgert werden, dass der intakte Schwanz zusammen mit intakten Verhältnissen an Ohren, Gesicht, Kronsaum, Ballen und Klauen, Nabel und Zitzen als aussagekräftige Signale für Tierwohl beim Schwein angesehen werden können, und dass neben den bekannten Faktoren aus Haltung, Fütterung und Management auch die Genetik zur Bekämpfung des Syndroms beitragen kann. Episodes of tail and ear biting can lead to considerable economic burdens and massively restrict animal welfare. For this reason 95% of suckling piglets in the EU have their tails docked to prevent tail biting. However, routine tail docking is prohibited by EU Directive 2008/120/EC. Society and the EU are calling for measures to prevent tail biting and for an end to routine tail docking.

However, necrosis and inflammatory changes can also occur without the involvement of other pigs. In most cases, these occur not only in the tail, but also in other organs at the same time. The ears, tail, claws, pads, coronet band, face, teats and vulva are susceptible. The "Swine Inflammation and Necrosis Syndrome" (SINS) was derived from the parallel occurrence of necrosis and inflammation in several parts of the body and the occurrence in neonatal suckling piglets. The main cause is thought to be a massive flooding of endotoxins from the intestine via the liver into the systemic circulation, which leads to an activation of the immune system. Numerous studies based on clinical, histological, metabolomic and transcriptomic results show that systemic and local inflammatory processes are ultimately set in motion and blood vessels are clogged in the acres. This results in inflammatory symptoms and even necrosis in the tissues to be supplied.

Based on these findings, the aim of this study was to generate insights into the pathogenesis of SINS by searching for the genes involved. For this purpose, boars with different susceptibility of their offspring to SINS were first identified and mated to a total of 27 sows of a Danzucht cross via mixed semen to reduce environmental effects in order to investigate the segregation of the associated genes by means of a genome-wide association study. A total of 8 boars from two different lines were included. The sows were also photographed and scored for inflammation in the claws, teats, skin, ears and tails on the 50th day of gestation and on the 3rd day post partum. 477 piglets were born from 27 sows, of which 402 suckling piglets were photographed and later scored on day 3 of life, 382 rearing piglets on day 39 of life, 366 pre-fattening pigs on day 81 of life and 347 finishing pigs on the last day of life. In order to avoid excessive tail-biting episodes, the suckling piglets had their tails docked on the third day of life. The piglets' DNA was later isolated from the docked tail tips and the paternity test and genome-wide association study (GWAS) (Illumina PorcineSNP60 chip) were carried out. For the genetic predisposition test, at least 3 offspring of both boars had to be present in each litter. In the end, 260 suckling piglets, 243 rearing piglets, 233 pre-fattening pigs and 233 finishing pigs were available.

The first part of the research question was based on the hypothesis that SINS-associated changes occur simultaneously in several organs. On average, 4.78 ± 1.21 (MW ± SD) of the 8 organs examined were affected simultaneously in suckling piglets and 4.14 ± 1.21 (MW ± SD) in weaned piglets, which confirms the hypothesis. Hypotheses two and three assumed that SINS-associated changes occur at different ages, sometimes with high prevalence. In fact, inflammatory changes in the ears, base and tip of the tail occurred in more than half of the suckling piglets. SINS-associated symptoms on the teats were found in up to 39.6% of the suckling piglets. Changes to the claws, such as bale bleeding and inflammation of the coronet band, were found in between 33.6 and 86.1 % of suckling piglets. Changes to the ears and the tip of the tail were observed in almost three quarters of the weaned piglets. Teat lesions were observed in up to 33.2 % of the rearing piglets. Changes in the claws were detected in up to 73.8 % of the piglets. More than half of the pre-fattening pigs showed symptoms on the ears and the tip of the tail. In the finishing pigs, more than half of the animals showed lesions on the ears and the tip of the tail. Hypothesis four investigated the influence of the mother sow on the prevalence and intensity of SINS in her offspring. This effect was only slightly pronounced in the present study. Hypothesis five regarding a significant role of boars on the quantitative expression of SINS in their offspring was also confirmed: Thus, the offspring of boar 2 were significantly (p < 0.05) less sensitive to the syndrome than offspring of boars 1, 3, 4, 5, 6 and 8. Unfavorable and favorable boars occurred in both lines. Nevertheless, there were also significant line effects. Hypothesis six dealt with the genetic basis of the boar effects found and resulted in 38 gene markers distributed over the entire genome with association to the SINS phenotypes. Potential candidate genes were deduced from the location of the markers. However, no functional markers could be mapped for which a functional change in the gene product was known, either qualitatively or quantitatively. The associated markers were in the range of the candidate genes TLR7 (Toll-Like Receptor 7), TLR8 (Toll-Like Receptor 8), TMSB4X (Thymosin Beta 4 X-Linked), MOSPD2 (Motile Sperm Domain Containing 2), ACE2 (Angiotensin Converting Enzyme 2), F2 (Thrombin Gene), F9 (Coagulation Factor IX), LOX (Lysyl Oxidase), TNFAIP 8 (TNF Alpha Inuced Protein 8), BCLxL (Apoptosis Regulator Bcl-X), RAB9A (RAB9A, Member RAS Oncogene Family) and DDX3X (DEAD-Box Helicase 3 X-Linked). The markers prove the genetic basis of the known different sensitivities to SINS in the offspring of different boars. They could be used as non-functional markers in selection against the syndrome. However, it remains for further studies to identify the functional gene variants.

Overall, it can be concluded from the present study that the intact tail together with intact conditions of ears, face, coronet band, pads and claws, navel and teats can be regarded as meaningful signs for animal welfare in pigs, and that in addition to the known factors from husbandry, feeding and management, genetics can also contribute to combating the syndrome.