С появлением редактирования генов в генетике КРС недавно произошло несколько событий, и ожидается еще много других. Редактирование генов позволяет селекционным программам вводить желаемые изменения контролируемым образом и более быстрыми темпами, чем это возможно при использовании только обычного отбора.

Как объясняет доктор Элисон ван Эненнаам, редактирование генов включает в себя управление ферментными "ножницами", которые делают целевой, специфический разрез в заранее определенной последовательности ДНК. Этот генетик из Калифорнийского университета в Дэвисе несколько лет назад использовала редактирование генов для создания бычка (по имени Космо), от которого ожидалось бы более 50% мужского потомства.

Доктор Элисон Ван Эненнаам, генетик из Калифорнийского университета в Дэвисе, несколько лет назад использовала генное редактирование для создания бычка (по имени Космо)

Она объясняет: "В зависимости от того, как будет восстановлен разрез, может произойти инактивация гена, расположенного в целевом участке, или изменение функциональности этого гена. Кроме того, в место разреза может быть введена ДНК с помощью шаблона для репарации ДНК, содержащего последовательность, полученную от данного организма, другого организма его же вида или от другого вида".

Признаки, которые связаны с одним геном, известные как менделевские или качественные признаки, очень подходят для редактирования генов по сравнению с признаками, которые связаны со многими генами (количественные признаки).

В свою очередь, генная инженерия - это техника, которой уже более 2 десятилетий, где чужеродный генетический материал вводится в геном с помощью шаблона для репарации ДНК в отсутствие сайт-направленных нуклеаз.

Свиньи "GalSafe" (впервые созданы в 2002 году) и лосось "AquAdvantage" (впервые создан в 1989 году) стали в 2020 году первыми генно-инженерными (трансгенными) сельскохозяйственными животными, одобренными в США для потребления человеком.

Устойчивость к жаре

Хотя устойчивость к жаре - это общий параметр производительности, включающий множество признаков (и, следовательно, множество генов), редактирование генов до сих пор использовалось в двух направлениях, касающихся отдельных генов, которые контролируют признаки, связанные с теплоустойчивостью - цвет шерсти и тип волоса.

Одно редактирование генов позволяет получить так называемую "гладкую шубку". У таких коров шерсть короткая, гладкая и иногда блестящая, что помогает им лучше отводить тепло, чем коровам без этого признака. Голштины с этим признаком демонстрируют более низкую внутреннюю (вагинальную) температуру и меньшую частоту дыхания. Кроме того, в 2020 году исследователи из Университета штата Миссисипи и Университета Пуэрто-Рико в Маягуэсе опубликовали работу, в которой пришли к выводу, что в жарких и влажных условиях Пуэрто-Рико голштины с гладкой шерстью демонстрируют лучшие репродуктивные показатели.

Хотя "ген гладкости" также используется в обычных селекционных программах в некоторых частях мира, генетики из Рослинского института (Эдинбургский университет в Шотландии) использовали метод редактирования генов, чтобы ввести его в недавно оплодотворенные яйцеклетки коров без этого редактирования. Они также работают с коллегами из Международного научно-исследовательского института животноводства в Кении с местными породами крупного рогатого скота.

Американская компания Recombinetics использовала генное редактирование для получения 2 мясных телят с признаком гладкой шерсти. Доктор Тад Сонстегард, президент и генеральный директор компании Acceligen (принадлежащей Recombinetics), говорит, что у них есть данные о "значительном" улучшении производительности этого отредактированного мясного животного в условиях теплового стресса, но они еще не готовы к публикации.

Еще один способ использования редактирования генов для снижения теплового стресса у крупного рогатого скота - осветление цвета шерсти (темные цвета поглощают значительно больше ультрафиолета). Группа генетиков добилась этого в Новой Зеландии, изменив черно-белый окрас шерсти голштинской породы на серо-белый.

В обзорной статье о возможностях редактирования генов доктор Питер Дж. Хансен из Университета Флориды добавляет, что у КРС был выявлен ген, связанный с теплоустойчивостью, который приводит к снижению выработки белков теплового шока и меньшей гибели соответствующих клеток. С 2017 года в Австралии доступны геномные селекционные значения теплоустойчивости на основе естественно возникающих геномных изменений.

Достижения связанные с болезнями

По мнению таких экспертов, как Ван Эненнаам, наибольший потенциал для редактирования генов имеет устойчивость к болезням. Это связано с тем, что на большинство экономически важных признаков, таких как скорость роста и конверсия корма у скота, влияет множество генов, и все потому, что эти признаки уже были значительно улучшены (некоторые даже сказали бы, что почти до максимума) в результате многих поколений традиционной селекции.

Однако в некоторых случаях редактирование генов может предотвратить или уменьшить восприимчивость к болезням, потому что, хотя большинство процессов болезни сложны, целенаправленная деактивация генов может прервать их или предотвратить их начало. Одним из примеров является инактивация гена, который приводит к образованию поверхностного белка клетки-хозяина, к которому прикрепляется данный патоген. Именно такая концепция была реализована у свиней в отношении прикрепления вируса, вызывающего свиной репродуктивный респираторный синдром (PRRS).

Ученые компании Recombinetics, работающие в сотрудничестве с двумя университетами США и Министерством сельского хозяйства США, также создали генно-модифицированную корову с пониженной восприимчивостью к вирусу диареи крупного рогатого скота (BVDV). В результате замены отредактированного гена в гене "связывающего домена" BVDV на 1 хромосоме "резко снижается восприимчивость к инфекции, если судить по клиническим признакам и отсутствию вирусной инфекции в белых кровяных клетках".

Компания Recombinetics дополнительно вывела голштинов породы 'Thamani' с мутацией "гладкая шерсть" в дополнение к направленным мутациям в двух возможных генах, которые, как предполагается, могут привести к устойчивости к африканскому трипаносомозу. "Мы вывели небольшое стадо голштинских животных с многочисленными изменениями, которые пока находятся на стадии предварительной оценки", - говорит Сонстегард. "Мы обязательно будем добиваться одобрения в странах с "тропической" экономикой и мелкими молочными предприятиями, поскольку именно они были целевым рынком для этой селекционной работы".

Один из аспирантов Ван Эненнаама также работает над редактированием гена для борьбы с болезнью КРС. "Сначала он удаляет ген у овец, поскольку болезнь поражает оба вида, а в случае успеха мы перейдем к испытанию редактирования на КРС, который является более дорогой моделью для проведения экспериментов", - говорит она.

Ван Эненнаам добавляет, что в Китае также опубликованы работы, документирующие усилия по выведению крупного рогатого скота, устойчивого к туберкулезу - глобально важному зоонозному заболеванию.

"У меня было начальное финансирование для производства бычка и сбора его спермы, но у меня пока нет средств для подтверждения того, нарушено ли соотношение полов в полученном потомстве. Проведение такого рода исследований в США очень дорого", - говорит доктор Элисон Ван Эненнаам (на фото)

Достижения в мире

Что касается Космо, генно-модифицированного теленка, которого вывела Ван Эненнаам, она объясняет: "У меня было первоначальное финансирование для производства быка и сбора его спермы, но пока у меня нет средств для подтверждения перекоса в соотношении полов в его потомстве. Проведение такого рода исследований в США очень дорого, поскольку всех животных, подвергшихся генной модификации, Управление по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) определяет, как  новые препараты для животных, и поэтому их нельзя пускать в оборот. Это означает, что по окончании эксперимента их приходится сжигать, а не продавать, и получить значительное финансирование, необходимое для таких экспериментов, довольно сложно".

Другой ее аспирант работает над проблемой выключения гена развития зародышевой линии у крупного рогатого скота для получения бесплодных быков и коров, в которые могут быть введены элитные зародышевые линии от неродственных, генетически более совершенных животных. По ее словам, такое применение может обеспечить быстрое распространение элитной генетики через естественное скрещивание в таких обширных отраслях, как производство говядины и баранины.

Несколько лет назад группа ученых из университета и Recombinetics также провела редактирование гена комолого (безрогого) крупного рогатого скота. В обзорной статье, опубликованной в 2019 году, Ван Эненнаам отмечает, что удаление рогов болезненно, но защищает животных и людей от травм, и большой интерес вызвало использование редактирования для введения аллеля комолости в молочные породы. Разведение комолого скота обычно не было в центре внимания из-за низких генетических достоинств и нехватки комолых молочных производителей.

Некоторые из тех же ученых, которые участвовали в редактировании гена серой голштинской шерсти в Новой Зеландии, вместе с коллегами из Recombinetics, также использовали опосредованное редактирование генома зигот для устранения бета-лактоглобулина, основного аллергена в коровьем молоке.

Ученые из Республики Корея вывели коров с фенотипом двойной мускулатуры (альтерация гена миостатина). Китайские ученые также добились этого, говорит Ван Эненнаам, на свиньях, крупном рогатом скоте и овцах. Кроме того, японские ученые вывели два вида рыб с нокаутами миостатина, что стало первым в мире коммерчески доступным продуктом питания животного происхождения с генным редактированием.

Нормативно-правовая база стагнирует

Нормативы по редактированию генов - сложная тема, и многие генетики, включая Ван Эненнаама, считают их ограничительными и нелогичными. Редактирование генов в ЕС, например, регулируется аналогично генной инженерии. Руководство других юрисдикций, таких как Бразилия, Австралия и Аргентина, рассматривает редактирование генов как обычную селекцию в ситуациях, когда ген удаляется, а новая или чужеродная ДНК не вводится.

Положения США можно назвать странными. Там редактирование генов в животноводстве в настоящее время регулируется FDA, которое классифицирует любое преднамеренное изменение генома животного как новый медикамент для животных, и поэтому к нему применяются нормативные рамки, используемые для лекарств.

В марте 2022 года FDA вынесло первое решение по генно-модифицированному животноводству в отношении двух телят компании Recombinetics с мутацией "гладкая шерсть", это "постановление по собственному усмотрению". Это означает, что на этих телят и их продукцию не распространяются существующие правила в отношении новых животных, поскольку "риск", связанный с ними и их генной правкой, был признан низким. По словам Ван Эненнаам, это не является одобрением или освобождением от правил применения новых лекарств для животных, а скорее продукты, полученные от этих двух животных, были сочтены недостаточно рискованными, чтобы стать предметом нормативного регулирования.

Она считает, что FDA может рассмотреть многоуровневую систему нормативного надзора, основанную на уровнях риска, и что обновление нормативной базы должно быть проведено как можно скорее, как того требует указ 14081 "Продвижение инноваций в области биотехнологии и биопроизводства для устойчивой, безопасной и надежной американской биоэкономики".

"Мы должны помнить, что существуют огромные упущенные выгоды, связанные с задержкой генетического улучшения наших видов продовольственных животных", - говорит она. "Кроме того, отсутствие глобальной нормативной унификации в отношении генетически модифицированных животных и их продукции, включая сперму и эмбрионы, создаст проблемы в отношении глобальной торговли и аспектов отслеживания как в животноводстве, так и в пищевой цепочке".

В дальнейшем, как она объясняет в недавней статье, написанной в соавторстве с кандидатом наук Маки Л. Мюллер, Ван Эненнаам считает, что для того, чтобы редактирование генов стало эффективным инструментом для генетических изменений, оно должно быть органично интегрировано в структурные селекционные программы с четкой целью разведения, и в идеале будет использоваться для ускорения генетического успеха путем использования его в сочетании с вспомогательными технологиями разведения для одновременного изменения нескольких компонентов селекционного уравнения.

Для этого было смоделировано несколько схем редактирования генов для популяций скота, и наиболее эффективные схемы в значительной степени опирались на широкое внедрение вспомогательных репродуктивных технологий, особенно использование искусственного осеменения в коммерческом секторе.

Желаемые изменения могут быть легко распространены в системах производства молочного скота путем искусственного осеменения спермой, полученной от элитных, отредактированных самцов. Ван Эненнаам объясняет, что "учитывая ограниченное применение искусственного осеменения в развивающихся странах, особенно в обширных животноводческих системах, для широкого распространения желаемых признаков, улучшенных с помощью редактирования, скорее всего, потребуются новые схемы разведения, такие как редактирование генов, применяемое для получения суррогатных производителей, несущих элитную генетику зародышевой линии".

Автор: Трина Хайн

Публикация: 25 апреля 2023

Адаптация: Эксперт Молоко

Редактор: Ульяна Лычак 

Оригинал статьи здесь:

https://www.dairyglobal.net/dairy/breeding/genetic-progress-in-cattle-a-global-overview/