На Урале реализуется уникальный проект по созданию генетически модифицированных коров методами, которые используются для генной терапии у человека. Такие коровы не будут иметь рогов, у них будет врожденный иммунитет к лейкозу, и главное, они будут давать молоко, которое смогут пить люди с аллергией на молочные продукты.
Работы по получению генетически редактированных коров идут на базе биотехнологической фермы в Свердловской области
Фото: Предоставлено Алексеем Дейкиным
Работы по получению генетически редактированных коров идут на базе биотехнологической фермы в Свердловской области
Фото: Предоставлено Алексеем Дейкиным
Моментальная селекция
В течение тысячелетий создание сельскохозяйственных культур растений и пород животных было результатом кропотливого труда селекционеров. Из множества проявлений вариабельности в культурных растениях и животных выбирались положительные для хозяйства признаки и закреплялись из поколения в поколение путем скрещивания наиболее интересных в этом плане родительских пар. Для закрепления и стабилизации нового признака в сорте или породе в лучшем случае требовалось 7–10 поколений. А потом снова начинался поиск еще лучших вариантов, их закрепление в потомстве, и так продолжалось испокон веку.
XX век привнес совершенно новое понимание процессов наследственности и изменчивости живых организмов. Была открыта молекула ДНК, которая несет в себе наследственную информацию, определяющую фенотип — те самые внешние признаки организма. Затем были открыты белки, которые в клетке, а сейчас и в пробирке, способны разрезать и сшивать молекулы ДНК, меняя их последовательность, создавая рекомбинантные молекулы. Позднее была отработана технология синтеза молекул ДНК на основе природных матриц или без них. Апофеозом же развития технологии рекомбинантной ДНК стало открытие в 2013 году нового класса белков — CRISPR/Cas — РНК зависимых ДНК эндонуклеаз, программируемых ножниц для молекулы ДНК. В 2020 году эта разработка была удостоена Нобелевской премии по химии.
Схема CRISPR/Cas9 генетического редактирования
Схема CRISPR/Cas9 генетического редактирования
Параллельно развивалась технология модификации генома живых организмов (в приложении к человеку — генной терапии). Сейчас в мире в качестве продуктов питания используются уже 536 сортов 38 видов генетически модифицированных растений и один вид рыб. Для производства лекарств применяют два вида генетически модифицированных животных. Зарегистрировано более десяти геннотерапевтических препаратов, эффективно и безопасно вносящих требуемые изменения в геном человека. Вакцинация от коронавируса РНК-вакциной Pfizer/Moderna тоже своего рода генная терапия, когда в клетки человека доставляются последовательности гена коронавируса и с них нарабатывается чужеродный белок, вызывающий иммунный ответ, их ввели уже десяткам миллионов человек.
На сегодня наиболее перспективной платформой для генной терапии наследственных заболеваний считаются аденоассоциированные вирусы — безопасные доставщики генного материала в нужные ткани организма. Они и были использованы в процессе генетического редактирования коровы.
Эка невидаль, корова без рогов!
Под руководством вице-президента РАН Ирины Михайловны Донник по гранту Российского научного фонда в Уральском федеральном аграрном научно-исследовательском центре УрО РАН совместно с Центром высокоточного редактирования и генетических технологий для биомедицины Института биологии гена РАН при участии екатеринбургского Центра семейной медицины проводятся исследования по разработке технологии редактирования генома коров.
Идея проекта состоит в том, чтобы объединить разработки по in vitro оплодотворению, культивированию, трансплантации эмбрионов с опытом молекулярной биологии, генной инженерии и генной терапии для создания животных с улучшенными хозяйственными свойствами не за 7–10 поколений, а сразу — путем прямого внесения небольших изменений в геном существующей высокопродуктивной породы коров.
Для редактирования были выбраны три точки в геноме коров: а) ген CD209, потенциальный рецептор к вирусу лейкоза. Нарушение его последовательности помешает вирусу проникать в клетки и защитит коров от этой инфекции, которой поражено до 30% поголовья; б) ген бета-лактоглобулина, основной аллерген коровьего молока. Нарушение его последовательности сделает молоко безопасным для людей, склонных к аллергии на молочные продукты; в) аллель комолости (безрогости), последовательность, препятствующая формированию рогов. Внесение этого аллеля позволит снизить травматизм среди животных.
Схема аллеля комолости
Схема аллеля комолости
Все выбранные цели довольно амбициозны, даже комолость, которая вроде бы не редкость. Но фенотипы с естественной безрогостью существуют в основном у мясных пород, таких как, например, ангус. А при общем поголовье коров более чем 1,3 млрд. голов в молочном животноводстве содержится около 300 млн. из них, и подавляющее большинство имеют рогатый фенотип. К тому же у некоторых пород, например голштино-фризской, безрогая популяция (миллионы голов) происходит только от двух племенных быков. Даже с позиций классической селекции ясно, что требуется увеличение генетического разнообразия безрогих особей, хотя бы просто для выживания породы.
Достичь этого методом селекции проблематично, потребуются многие годы для возврата новых генетических вариантов к высокой продуктивности, а генная инженерия может внести аллель безрогости, не затрагивая другие хозяйственно значимые гены, как это происходит при классической селекции. Нельзя сказать, что в мире подобные работы не проводятся, но это делается или на породах, которые в России не поддерживаются, или, как в случае с безрогостью, жизнеспособные особи пока не получены.
Поможет ли природа завершить процесс редактирования коровы
Еще одним преимуществом проекта УрФАНИЦ УрО РАН и ИБГ РАН является возможность отказаться от технологии клонирования (клоны, к сожалению, часто нежизнеспособны) и вносить изменения в геном коров с помощью высокоэффективных инструментов, разработанных для генной терапии человека.
За время реализации совместного проекта отработана технология интрацитоплазматической инъекции (ICSI — Intra Cytoplasmic Sperm Injection) сперматозоида в яйцеклетку коров. Разработаны системы на основе CRISPR/Cas9 для внесения изменений в геном коров. Проведен скрининг 6 различных аденоассоциированных вирусов (ААВ) человека и шимпанзе по эффективности их проникновения в зиготы коров. Для этого клетки культивировались в среде с ААВ, содержащим зеленый флуоресцентный белок (GFP), его свечение показало, что вирус смог проникнуть в клетку и начать в ней работать.
Схема внесения аллеля безрогости в геном коров
Схема внесения аллеля безрогости в геном коров
Проведен эксперимент по редактированию генома коров с помощью CRISPR/Cas9 системы, упакованной в аденоассоциированный вирус. Бластоцисты после такой «генной терапии» были пересажены коровам—суррогатным матерям. Каждый этап этой работы — это фактически максимальный из доступных науке технологический уровень работы с эмбрионами, генной инженерии и генной терапии.
Но несмотря на все это, вероятность успеха далека от 100%, сейчас все в руках природы — бластоциста должна превратиться в эмбрион, эмбрион развиться в организме матери, а система для редактирования уже независимо от исследователей внести требуемые изменения. И только после рождения телят можно будет оценить, насколько удачной оказалась «генная терапия» лейкоза, рогатости коров и аллергенности их молока.