Genetic and phenotypic aspects of infection with Mycobacterium avium ssp. paratuberculosis in German Holstein cows

Abstract

Mycobacterium avium ssp. paratuberculosis (MAP) is the causative agent for the global occurrence of paratuberculosis (Johne´s disease) in ruminants. Infection with MAP leads to chronic enteritis and is responsible for economic losses, especially for dairy farmers. Because of cost and time efficiency the majority if studies about MAP infection deal with ELISA test results for phenotyping. The present study demonstrates with a dataset of 9 367 fecal culture tested German Holstein cows that the MAP status of the animals, the farm and the lactation number, as well as the interaction between MAP status and farm significantly affect the milk parameters, especially milk yield in kilograms. Also the interaction between lactation number and MAP status is significantly associated with milk kg per day of life. Although, if only a part of the real losses could be considered, the presented results of MAP infection to production traits underline the economic importance to control and eradicate the disease.So far, there is no therapy or vaccination against MAP, but there are suggestions that susceptibility to MAP infection has a genetic component. To verify the hypothesis also for fecal culture tested animals, a large dataset of 11 285 fecal culture tested German Holstein cows were used to estimate heritability for MAP infection. With results between 0.157 and 0.228 it could be demonstrated that the fecal culture test method is more suitable for further studies than ELISA test results. Furthermore, the estimated heritabilities are comparable with other traits which are already included successfully in breeding programs.Because of the genetic background of the disease, numerous studies deal with the analysis of possible candidate genes and their association with MAP infection as well as with genome-wide association (GWA) studies to identify genetic region of interests with MAP infection. Amongst others the nucleotide-binding oligomerization domain containing 2 (NOD2, formerly CARD15) was described as a candidate gene for susceptibility with MAP infection in cattle. In the present study eleven SNPs in the NOD2 gene could be identified, and finally, four SNPs were included in a case-control study using 324 German Holstein cows tested for paratuberculosis using fecal culture and ELISA. Thereby the SNP (GenBank) AY518738S04:g.521G>A in exon 4 showed a significant association (P = 0.0056) between the fecal culture status of the animals and NOD2 allele variants. Furthermore a GWA study was performed with the Illumina Bovine SNP50BeadChip using a case-control assay of 305 cows tested for MAP by fecal culture with an additional four different commercial ELISA-tests. No so far reported association for MAP infection could be confirmed. However, new regions of interest and potential candidate genes could be found. These results lead to the conclussion, that different test methods for MAP infection result in diverse identified gene loci, and therefore in different candidate genes associated with MAP. Furthermore it seems to be once more, that paratuberculosis is not affected by just one gene. The results of the present study are reflecting the problem of the diagnostic of MAP infection. The different test methods and the different grouping of phenotyping leads to different results of the studies. Therefore, further improvement of diagnostic for MAP infection is essential to get a correct and consistent phenotype for further studies concerning MAP infection. Beside which, the phenotyping of the large number of tested animals, at best with whole pedigree information, is a limitation factor for genetic studies. Both improvement of phenotyping and the increasing number of animals are basic factors for further genetic studies of MAP infection.

Mycobacterium avium ssp. paratuberculosis (MAP) ist die Ursache für die bei Wiederkäuern ubiquitär vorkommende Krankheit Paratuberkulose. Eine Infektion mit MAP führt bei den betroffenen Tieren zu einer chronischen Darmentzündung und hat damit eine entsprechende Leistungsminderung zur Folge. Mit MAP infizierte Tiere können daher die Ursache für geringere Leistungen in Milch produzierenden Betrieben und somit ursächlich für erhebliche ökonomische Verluste sein. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnte auf Daten von 9.367 Deutsche Holstein-Kühen zurückgegriffen werden. Diese Kühe wurden im Gegensatz zu zahlreichen anderen Studien mittels Kotkulturen auf MAP-Infektionen getestet. Diese Methode ist zwar nicht so zeit- und kosteneffizient wie die weithin genutzten ELISA-Tests, liefert aber verlässlichere Ergebnisse. Die Analysen dieser Daten innerhalb der vorliegenden Arbeit zeigten, dass sowohl der MAP-Status, der Betrieb und die Laktationsnummer als auch die Interaktion zwischen dem MAP-Status und dem Betrieb einen signifikanten Effekt auf verschiedene Milchparameter (insbesondere die Milchmenge) haben. Darüber hinaus ist die Interaktion zwischen MAP-Status und Laktationsnummer signifikant mit dem Merkmal Milchkilogramm pro Lebenstag assoziiert. Die nachgewiesenen Assoziationen des MAP-Status mit der Milchleistung von Deutsche Holstein-Kühen und die damit verbundenen wirtschaftlichen Einbußen unterstreichen die Notwendigkeit, Paratuberkulose zu kontrollieren und zu bekämpfen.Bisher gibt es keine erfolgreiche Therapie oder zugelassene Impfung gegen Paratuberkulose, jedoch wird eine genetische Komponente im Zusammenhang mit MAP vermutet, so dass längerfristig eine Zucht gegen Paratuberkulose möglich sein könnte. Um diese genetischen Einflüsse zu überprüfen, wurde innerhalb der vorliegenden Arbeit ein Datensatz von 11.285 mittels Kotkultur getesteten Tieren verwendet, um die Erblichkeit für MAP-Infektionen zu ermitteln. Mit Heritabilitäten zwischen 0,157 und 0,228, die im gleichen Bereich liegen wie Erblichkeiten anderer Merkmale, die bereits erfolgreich in Zuchtprogramme eingebunden sind, konnte gezeigt werden, dass die Kotkultur im Vergleich zu ELISA eine geeignetere Methode für zukünftige Studien ist.Aufgrund des genetischen Hintergrunds der Krankheit wurden bereits zahlreiche Kandidatengenanalysen und genomweite Assoziationsstudien (GWA) zur Identifizierung interessanter Genregionen im Zusammenhang mit MAP Infektionen durchgeführt. Darunter wurde das nucleotide-binding oligomerization domain containing 2 (NOD2, früher CARD15) als Kandidatengen im Zusammenhang mit Paratuberkulose bei Rindern beschrieben. In der vorliegenden Studie wurden elf SNPs im NOD2-Gen identifiziert, von denen letztendlich vier in eine Fall-Kontroll-Studie mit 324 Deutsche Holstein-Kühen verwendet wurden. Die Tiere wurden mittels Kotkultur und ELISA auf MAP getestet. Dabei zeigte der SNP (GenBank) AY518738S04:g.521G>A in Exon 4 des NOD2 eine signifikante Assoziation (P = 0,0056) zum Kotkulturstatus der Tiere. Des Weiteren wurde eine GWA-Studie mithilfe des Illumina Bovine SNP50 BeadChip durchgeführt. Hierfür wurde eine Fall-Kontroll-Studie mit 305 Kühen durchgeführt, welche zum einen mit Kotkultur und zum anderen mit vier kommerziellen ELISA-Tests auf MAP getestet wurden. Zwar konnte keine der bisher beschriebenen Assoziationen bestätigt werden, jedoch konnten weitere interessante Genregionen und potentielle Kandidatengene identifiziert werden. Zum einen konnte dadurch gezeigt werden, dass durch die unterschiedlichen Testmethoden für MAP verschiedene Genregionen identifiziert werden und damit unterschiedliche potentielle Kandidatengene für Paratuberkulose, und zum anderen, dass mehrere Genregionen beim Krankheitsgeschehen der Paratuberkulose beteiligt sind.Die Ergebnisse der vorliegenden Studie reflektieren die Problematik der Diagnose für MAP-Infektionen: Die unterschiedlichen Testmethoden und die sich daraus ergebende unterschiedliche Gruppierung des Phänotyps führen zu unterschiedlichen Ergebnissen innerhalb der Studien. Neben der Phänotypisierung großer Tierzahlen, möglichst mit vollständigen Pedigree-Informationen, sind daher Verbesserungen der Diagnostik für MAP vonnöten, um einheitliche und wiederholbare Ergebnisse zur Phänotypisierung für weitere Studien zu erhalten. Beides - sowohl die Verbesserung der Phänotypisierung wie auch eine erhöhte Anzahl untersuchter Tiere - ist eine Grundvoraussetzung für informative genetische Untersuchungen im Zusammenhang mit MAP-Infektionen.