Протягом тисяч років люди використовували селекційне розведення для поліпшення бажаних якостей як домашньої худоби, так і домашніх тварин. Однак розведення на стійкість до патогенів виявилося важчим. Редагування генома може запропонувати ефективний і надійний спосіб вирішити цю проблему.
У тваринництві цільове розведення стало звичайною практикою з 18 століття, при цьому активно відбиралися вимірні виробничі ознаки. В кінці минулого століття геномна селекція була додана в інструментарій тваринництва; за рахунок зчитування певних ділянок в геномі і співвіднесення їх з виробничими ознаками було досягнуто більш швидке підвищення ефективності тваринництва. Однак одним з найбільш складних виробничих показників для вимірювання є стійкість до певного захворювання. Редагування генома відкриває нові можливості для розведення сільськогосподарських тварин на стійкість до хвороб, оскільки воно може враховувати не тільки селекційні програми, а й інші генетичні та лабораторні дослідження. Його застосовували до широкого спектру сільськогосподарських видів, включаючи вирощувану рибу, бджіл, свиней, птицю і жуйних тварин. Час генерації і розмір посліду є основними перешкодами для (оптимізації) технології редагування генома. Через своєї глобальної економічної цінності, відносно короткого часу генерації та великого розміру посліду на сьогоднішній день найбільш змінним видом домашньої худоби є свиня. Однак нові досягнення в технологіях створення курчат з редагуванням генома означають, що кількість птахів, які зазнали редагування генома, зростає.
Геном змінив свиней і курку
Ідея редагування генома відносно проста; вносити певні зміни в геном тварини, щоб ввести корисний (новий) ознака. У цій новій селекційної технології використовуються інструменти, які біотехнологія і селекційна промисловість розробляли понад півстоліття. Редактори генома - це білки, які розрізають нитки геномної ДНК в певних положеннях. Введення цього розрізу вимагає, щоб клітина відновила цей розрив. Налаштування цього ремонту, наприклад надання шаблону ланцюга ДНК може змінити результат розрізу, що веде до ділок, вставкам чи зміни однієї літери.
Всі реагенти-редактори, що вводяться в клітку, швидко розкладаються, залишаючи тільки зміна геномної послідовності, яка буде поширюватися після поділу клітини і в кінцевому підсумку передаватися наступним поколінням за допомогою розведення. Ця революційна технологія відкриває захоплюючі можливості для вирощування тварин, стійких до хвороб. Такі можливості особливо важливі з урахуванням зусиль держави щодо підвищення глобальної продовольчої безпеки та скорочення харчових відходів у виробничому ланцюжку.
Існує два основні методи, широко використовуваних для створення відредагованих свиней; клонування відредагованих клітин або пряме редагування в зиготах (ембріон після злиття ооцита і сперми) шляхом введення реагентів редактора. Для клонування дорослі клітини культивуються, геном редагується, характеризується і відбираються конкретні генетичні зміни. Потім вони використовуються для відновлення зіготоподобной клітини, яка потім передається свиноматці-реципієнту. Однак клонування неефективно, оскільки сотні «зигот» передаються одному реципієнту, даючи послід невеликого розміру, а потомство часто демонструє знижену життєздатність. В якості альтернативи в зиготи можна безпосередньо вводити реагенти для редагування генома і відразу ж переносити їх назад тварині-реципієнту. Такий підхід призводить до ефективного встановлення вагітностей і надійним пометам. Однак потомство від прямої ін'єкції зиготи показує ряд результатів редагування, оскільки вибір конкретного генетичної зміни неможливий.
Всі реагенти-редактори, що вводяться в клітку, швидко розкладаються, залишаючи тільки зміна геномної послідовності, яка буде поширюватися після поділу клітини і в кінцевому підсумку передаватися наступним поколінням за допомогою розведення. Ця революційна технологія відкриває захоплюючі можливості для вирощування тварин, стійких до хвороб. Такі можливості особливо важливі з урахуванням зусиль держави щодо підвищення глобальної продовольчої безпеки та скорочення харчових відходів у виробничому ланцюжку.
Існує два основні методи, широко використовуваних для створення відредагованих свиней; клонування відредагованих клітин або пряме редагування в зиготах (ембріон після злиття ооцита і сперми) шляхом введення реагентів редактора. Для клонування дорослі клітини культивуються, геном редагується, характеризується і відбираються конкретні генетичні зміни. Потім вони використовуються для відновлення зіготоподобной клітини, яка потім передається свиноматці-реципієнту. Однак клонування неефективно, оскільки сотні «зигот» передаються одному реципієнту, даючи послід невеликого розміру, а потомство часто демонструє знижену життєздатність. В якості альтернативи в зиготи можна безпосередньо вводити реагенти для редагування генома і відразу ж переносити їх назад тварині-реципієнту. Такий підхід призводить до ефективного встановлення вагітностей і надійним пометам. Однак потомство від прямої ін'єкції зиготи показує ряд результатів редагування, оскільки вибір конкретного генетичної зміни неможливий.
Нової альтернативою цим перевіреним методам може стати використання сурогатних виробників. В якості першого кроку до цієї мети з свиней видалили ген, необхідний для виробництва стовбурових клітин сперми. В результаті гомозиготні самці не виробляють сперматозоїдів в сім'яниках. Однак стовбурові клітини сперми можуть бути виділені від донорів, культивовані, геном відредагований, охарактеризований і відібраний перед перенесенням в семенник сурогатного виробника, який потім почне виробляти відредаговану сперму.
Генетична модифікація домашньої птиці являє собою унікальну проблему через зовсім інший фізіології пташиного яйця в порівнянні з ооцитом ссавця. В результаті виділення і перенесення курячого жовтка на одноклітинної стадії ембріона неможливо. Досягнення в технології курячих стовбурових клітин показують великі перспективи для редагування генома курки. Первинні статеві клітини (стовбурові клітини, які в кінцевому підсумку перетворюються в клітини сперматозоїдів або ооцитів) можуть бути виділені з крові розвиваються курчат і культивовані. Потім ці клітини можна редагувати і вибирати перед перенесенням в кровотік ембріона-реципієнта, де вони мігрують і заселяють розвиваються гонади. Однак отримане потомство є сумішшю відредагованих і невідредаговані курчат через наявність невідредаговані статевих клітин в ембріоні реципієнта. Були розроблені курячі ембріони-реципієнти, позбавлені статевих клітин, які значно підвищують ефективність цього процесу. Використовуючи цю технологію, покоління оброблених курчат може тривати всього 6 місяців.
Прогрес редагування генів хвороб
Редактори генома, безсумнівно, будуть відігравати важливу роль у створенні стійких до хвороб тварин, як показано тут.
Свині
Репродуктивний і респіраторний синдром свиней (РРСС), можливо, є найбільш економічно важливим захворюванням свиней у всьому світі. Збудником PRRS є артерівірус, названий вірусом PRRS (PRRSV), який вражає свиней різного віку, але, що важливо, викликає пізні аборти і мертвонародження у свиноматок і важкі респіраторні захворювання у поросят з важкої захворюваністю і високою смертністю. PRRSV також знижує імунну реакцію свиней, викликаючи вторинні інфекції, що призводить до збільшення використання антибіотиків. Як і багато вірусів, PRRSV використовує взаємодію «ключ-замок» зі специфічним білком, так званим рецептором, щоб проникнути в клітину, де він може реплицироваться. У разі вірусу РРСС це білок CD163. Було показано, що свині з відредагованим геномом, позбавлені всього або лише частини CD163, стійкі до інфекції PRRSV. CD163, як відомо, виконує ряд важливих біологічних функцій щодо гомеостазу, запалення і імунної відповіді. Було показано, що у свиней, позбавлених тільки частини CD163, біологічні функції, пов'язані з цим білком, зберігаються.
Два коронавируса, вірус епідемічної діареї свиней (PEDV) і вірус трансмиссивного гастроентериту (TGEV), призводять до тяжких діарею у попередньо відокремлених поросят і пов'язані з високою захворюваністю і смертністю. Дослідження ідентифікували амінопептідазу N як рецептор для TGEV і потенційний рецептор для PEDV. Відредаговані геномом свині, позбавлені амінопептидази N, були стійкі до TGEV, але залишалися сприйнятливими до інфекції PEDV. Амінопептідазу N важлива для перетравлення пептидів в тонкому кишечнику, і у мишей, позбавлених функції гена, спостерігається затримка розвитку молочних залоз. Таким чином, необхідні подальші дослідження впливу на загальний стан здоров'я і / або продуктивність тварин.
Вірус африканської чуми свиней (АЧС) викликає важку геморагічну хворобу у свиней з високою смертністю свиней різного віку. Спочатку вірус ASFV був обмежений Африкою, а останнім часом він швидко поширився по Східній Європі та Азії, але представляє величезний ризик для свинарства у всьому світі. На пізніх стадіях зараження вірусом АЧС спостерігається надмірна реакція імунної системи, яка, як вважається, в значній мірі сприяє летальності захворювання. Цікаво, що ASFV також заражає диких свиней, таких як бородавочники, не викликаючи явних захворювань. Порівняння геномів бородавочника і домашньої свині виявило відмінності в гені (RelA), пов'язаному з надмірною реакцією імунної відповіді. Дослідники використовували редагування генома, щоб перетворити ключову ділянку послідовності домашньої свині в еквівалент бородавочника. Свині з ділянкою гена, еквівалентним бородавочники, на жаль, не були стійкі до вірусу АЧС, але мали відстрочене початок клінічних ознак.
