Прогрес у сфері генетики великої рогатої худоби: глобальний огляд

З появою редагування генів у генетиці великої рогатої худоби сталося кілька недавніх подій, і очікується ще багато інших. Редагування генів дозволяє селекційним програмам вводити бажані зміни контрольованим чином і швидше, ніж це можливо при використанні тільки звичайної селекції.

Як пояснює доктор Елісон ван Ененнаам, редагування генів включає управління ферментативними "ножицями" ДНК, щоб зробити цільовий, специфічний розріз в заздалегідь визначеній послідовності ДНК. Вона є генетиком з Каліфорнійського університету в Девісі, який кілька років тому використав редагування генів для створення бичка (на ім'я Космо), від якого очікувалося б понад 50% чоловічого потомства.

Вона пояснює: "Залежно від того, як буде виправлено поріз, може відбутися інактивація гена, розташованого в цільовій ділянці, або зміна функціональності цього гена. Крім того, місце порізу може бути введена ДНК за допомогою шаблону для репарації ДНК, що містить послідовність, те, що походить з даного організму, іншого його виду або іншого виду ".

Ознаки, пов'язані з одним геном, відомі як менделевские чи якісні ознаки, дуже підходять для редагування генів проти ознаками, пов'язані з багатьма генами (кількісні ознаки).

З іншого боку, генна інженерія - це техніка, якій вже понад 2 десятиліття, коли чужорідний генетичний матеріал вводиться в геном за допомогою шаблону для відновлення ДНК без сайт-спрямованих нуклеаз. Свині "GalSafe" (вперше створені у 2002 році) та лосось "AquAdvantage" (вперше створений у 1989 році) стали у 2020 році першими генно-інженерними (трансгенними) сільськогосподарськими тваринами, схваленими в США для споживання людиною.

Теплостійкість

У той час як теплостійкість є загальним параметром продуктивності з багатьма супутніми ознаками (і, отже, багатьма генами), редагування генів досі використовувалося у двох напрямках, що стосуються окремих генів, які контролюють ознаки, пов'язані з теплостійкістю – колір вовни та тип вовни.

Одне редагування генів дозволяє отримати так звану "гладку шерсть". У таких корів шерсть коротка, гладка і іноді блискуча, що допомагає їм краще відводити тепло, ніж без вовни. Голштини з цією ознакою демонструють нижчу внутрішню (вагінальну) температуру та меншу частоту дихання. Крім того, в 2020 році дослідники з Університету штату Міссісіпі та Університету Пуерто-Ріко в Маягуесі опублікували роботу, в якій дійшли висновку, що в спекотних та вологих умовах Пуерто-Ріко голштини з начосом демонструють найкращі репродуктивні показники.

Хоча "ген злику" також використовується у звичайних селекційних програмах у деяких частинах світу, генетики з Рослінського інституту (Единбурзький університет у Шотландії) використовували метод редагування генів, щоб ввести його в нещодавно запліднені яйцеклітини від корів без цього виправлення. Вони також працюють із колегами з Міжнародного науково-дослідного інституту тваринництва в Кенії з місцевими породами великої рогатої худоби.

Американська компанія Recombinetics використовувала редагування генів для отримання двох телят із ознакою "гладка шерсть". Доктор Тад Сонстегард, президент і виконавчий директор компанії Acceligen (що належить Recombinetics), каже, що мають дані про "значне" поліпшення продуктивності відредагованої м'ясної худоби в умовах теплового стресу, але вони ще не готові до публікації.

Ще один спосіб використання редагування генів для зниження теплового стресу у великої рогатої худоби – освітлення кольору вовни (темні кольори поглинають значно більше ультрафіолету). Група генетиків досягла цього в Новій Зеландії, змінивши чорно-біле забарвлення шерсті голштинської породи на сіро-біле.

У оглядовій статті про можливості редагування генів доктор Пітер Дж. Хансен з Університету Флориди додає, що у великої рогатої худоби був ідентифікований ген, пов'язаний з теплостійкістю, що призводить до зниження вироблення білків теплового шоку та меншої загибелі відповідних клітин.

Крім того, в Австралії вчені з Agriculture Victoria виявили кілька генів, які тісно пов'язані зі стійкістю до спеки. З 2017 року в Австралії доступні геномні селекційні значення для стійкості до спеки, засновані на геномних варіаціях, що природно виникають.

Прогрес у боротьбі з хворобами

На думку таких експертів як Ван Ененнаам, найбільший потенціал для редагування генів має стійкість до хвороб. Це пов'язано з тим, що на більшість економічно важливих ознак, таких як швидкість росту та конверсія корму у худоби, впливає безліч генів, і все тому, що ці ознаки вже значно покращені (деякі навіть кажуть, що майже до максимуму) внаслідок багатьох поколінь традиційної селекції.

Однак у деяких випадках редагування генів може запобігти або зменшити сприйнятливість до хвороб, оскільки, хоча більшість процесів хвороби складні, цілеспрямована інактивація генів може перервати їх або запобігти їхньому початку. Одним із прикладів є інактивація гена, що призводить до виробництва поверхневого білка клітини-господаря, до якого прикріплюється даний патоген. Саме така концепція була реалізована у свиней щодо прикріплення вірусу, що викликає свинячий репродуктивний та респіраторний синдром (PRRS).

Вчені компанії Recombinetics, які працюють у співпраці з двома університетами США та Міністерством сільського господарства США, також створили генно-модифіковану корову зі зниженою сприйнятливістю до вірусу вірусної діареї великої рогатої худоби (BVDV). В результаті редагування гена в гені "зв'язуючого домену" BVDV на 1 хромосомі "різко знижується сприйнятливість до інфекції, що визначається за клінічними ознаками та відсутністю вірусної інфекції в лейкоцитах".

Компанія Recombinetics додатково вивела голштинів 'Thamani', які мають мутацію "гладка шерсть" на додаток до цільових мутацій у двох генах-кандидатах, які, як передбачається, можуть призвести до стійкості до африканського трипаносомозу. "Ми виростили невелику череду голштинських тварин із численними змінами, які все ще знаходяться на стадії попередньої оцінки", - каже Сонстегард. "Ми безперечно добиватимемося схвалення в країнах з тропічною економікою та дрібними молочними підприємствами, оскільки це був цільовий ринок для даної селекційної роботи".

Один із аспірантів Ван Ененнаама також працює над редагуванням генів для лікування захворювання великої рогатої худоби. "Спочатку він вибиває ген у овець, оскільки хвороба вражає обидва види, а у разі успіху ми перейдемо до випробування редагування на великій рогатій худобі, яка є більш дорогою моделлю для проведення експериментів", - каже вона.

Ван Ененнаам додає, що в Китаї також опубліковані роботи, що документують зусилля щодо виведення великої рогатої худоби, стійкої до туберкульозу - глобально важливого зоонозного захворювання.

Події у світі

Що стосується Космо, генно-модифікованого теля, якого виробила Ван Ененнаам, вона пояснює: "У мене було початкове фінансування для виробництва бика та збору його сперми, але поки що у мене немає фінансування для підтвердження того, чи не порушено співвідношення статей у його потомстві" . Проведення такого роду досліджень у США дуже дороге, оскільки всі тварини, які зазнали генної модифікації, розглядаються Управлінням з контролю за продуктами та ліками США (FDA) як нові ліки для тварин, і тому вони не допускаються до продажу. Це означає, що після закінчення експерименту їх доводиться спалювати, а не продавати, і важко отримати значне фінансування, необхідне для таких експериментів».

Інший її аспірант працює над вибиванням гена розвитку зародкової лінії у великої рогатої худоби для отримання безплідних бугаїв і корів, які можуть бути введені елітні зародкові лінії від неспоріднених, генетично більш досконалих тварин. За її словами, таке застосування може забезпечити швидке поширення елітної генетики через природне трапне парування в таких великих галузях, як виробництво яловичини та овець.

Кілька років тому група вчених з університету та компанії Recombinetics також досягла редагування генів для великої рогатої худоби без рогів. В оглядовій статті, опублікованій у 2019 році, Ван Ененнаам зазначає, що дехорнінг болісний, але захищає тварин і людей від травм, і великий інтерес викликало використання редагування для введення алелю polled у молочні породи. Селекційна робота з розведення помісної худоби зазвичай не була в центрі уваги через низькі генетичні переваги і брак помісних молочних виробників.

Деякі з тих же вчених, які брали участь у редагуванні генів сірої голштинської вовни в Новій Зеландії, разом з колегами з Recombinetics також використовували редагування геному, опосередковане зиготою, для усунення бета-лактоглобуліну, основного алергену в коров'ячому молоці.

Вчені з Республіки Корея вивели корів із фенотипом подвійного мишоловства (зміна гена міостатину). Китайські вчені також досягли цього, каже Ван Ененнаам, на свинях, великій рогатій худобі та вівцях. Крім того, японські вчені вивели нокаути міостатину у двох видів риб, які є першим комерційно доступним продуктом харчування тваринного походження з генним редагуванням у світі.

Нормативно-правова база перебуває у стані стагнації

Регулювання редагування генів - складна тема, і багато генетики, включаючи Ван Ененнаама, вважають його обмежувальним та нелогічним. Редагування генів ЄС, наприклад, регулюється аналогічно генної інженерії. Керівництво інших юрисдикцій, таких як Бразилія, Австралія та Аргентина, розглядає редагування генів як звичайну селекцію у ситуаціях, коли ген вибивається, а нова чи чужорідна ДНК не вводиться.

Регулювання США можна назвати дивним. Там редагування генів у тваринництві в даний час регулюється FDA, яке класифікує будь-яке навмисне зміна геному тварини як новий препарат для тварин, і тому до нього застосовують нормативні рамки, що використовуються для ліків.

У березні 2022 року FDA винесло перше рішення щодо генно-модифікованого тваринництва щодо двох телят компанії Recombinetics з мутацією "гладка шерсть". Це означає, що на цих телят та їх продукцію не поширюються існуючі правила щодо нових тварин, оскільки "ризик", пов'язаний з ними та їх генною правкою, був визнаний низьким. За словами Ван Ененнаама, це не схвалення чи звільнення від застосування нових лікарських препаратів для тварин, а скоріше продукти, отримані від цих двох тварин, були визнані недостатньо ризикованими, щоб бути пріоритетними для регулювання.

Вона пропонує FDA розглянути можливість створення багаторівневої системи нормативного нагляду, заснованої на рівнях ризику, та якнайшвидше провести оновлення нормативної бази відповідно до вимог Указу 14081 "Просування інновацій у галузі біотехнології та біовиробництва для стійкої, безпечної та надійної американської біоекономіки".

"Ми повинні пам'ятати, що існують величезні альтернативні витрати, пов'язані із затримкою генетичного покращення наших видів харчових тварин", - каже вона. "Крім того, відсутність глобальної нормативної гармонізації щодо генетично модифікованих тварин та продуктів з них, включаючи сперму та ембріони, створить проблеми щодо глобальної торгівлі та аспектів відстеження як у тваринництві, так і в харчовому ланцюзі".

Надалі, як вона пояснює у нещодавній статті, написаній у співавторстві з кандидатом наук Макі Л. Мюллер, Ван Ененнаам вважає, що для того, щоб редагування генів стало ефективним інструментом для генетичних змін, воно має бути легко інтегровано до структурованих селекційних програм з чіткою метою розведення і в ідеалі буде використовуватися для прискорення генетичного приросту шляхом використання його в поєднанні з технологіями допоміжного розведення для одночасної зміни кількох компонентів рівняння селекціонера.
Для цього було змодельовано кілька схем редагування генів для популяцій худоби, і найефективніші схеми значною мірою залежать від широкого впровадження допоміжних репродуктивних технологій, особливо використання штучного запліднення в комерційному секторі.

Бажані зміни можуть бути легко поширені в системах виробництва молочної худоби шляхом штучного запліднення спермою, одержаною від елітних, відредагованих самців. Ван Ененнаам пояснює, що "враховуючи обмежене застосування штучного запліднення в країнах, що розвиваються, особливо в екстенсивних системах тваринництва, для широкого поширення бажаних ознак, покращених за допомогою редагування, швидше за все, потрібні нові схеми розведення, такі як редагування генів, застосовуване для отримання сурогатних виробників , що несуть елітні зародкові гени.

Автор: Тріна Хайн