Один из «суррогатных производителей» коз в кампусе WSU Pullman. Предоставлено: Университет штата Вашингтон.
Впервые ученые создали свиней, коз и крупный рогатый скот, которые могут служить жизнеспособными «суррогатными отцами», самцами животных, производящих сперму, несущую только генетические признаки животных-доноров.
Аванс, опубликованный в Труды Национальной академии наук 14 сентября 2020 года может ускорить распространение желаемых характеристик домашнего скота и улучшить производство продуктов питания для растущего населения мира. Это также позволит животноводам в отдаленных регионах получить лучший доступ к генетическому материалу элитных животных из других частей мира и позволит более точно разводить животных, таких как козы, где использование искусственного оплодотворения затруднено.
«С помощью этой технологии мы можем добиться лучшего распространения желаемых качеств и повысить эффективность производства продуктов питания. Это может оказать серьезное влияние на решение проблемы отсутствия продовольственной безопасности во всем мире », – сказал Джон Отли, репродуктивный биолог из Колледжа ветеринарной медицины WSU. «Если мы сможем решить эту проблему генетически, это означает, что мы должны вводить меньше воды, корма и антибиотиков».
Исследовательская группа под руководством Оатли использовала инструмент редактирования генов CRISPR-Cas9, чтобы выбить ген, специфичный для мужской фертильности, в эмбрионах животных, которые будут выращены и станут суррогатными отцами. Затем самцы рождались бесплодными, но начали производить сперму после того, как исследователи трансплантировали стволовые клетки животных-доноров в их семенники. Сперма, полученная суррогатными быками, содержала только генетический материал отобранных животных-доноров. Процесс редактирования генов, используемый в этом исследовании, направлен на то, чтобы вызвать изменения в пределах одного вида животных, которые могут произойти естественным образом, например, бесплодие.
Джон Оатли. Предоставлено: Университет штата Вашингтон.
Исследование является результатом шести лет совместной работы исследователей из WSU, Университета штата Юта, Университета Мэриленда и Института Рослина при Эдинбургском университете в Великобритании.
Исследователи использовали CRISPR-Cas9 для получения мышей, свиней, коз и крупного рогатого скота, у которых отсутствовал ген NANOS2, специфичный для мужской фертильности. Самцы животных росли стерильными, но в остальном здоровыми, поэтому, когда они получили трансплантированные продуцирующие сперму стволовые клетки от других животных, они начали производить сперму, полученную из клеток донора.
Подтверждено, что суррогатные производители имеют активную донорскую сперму. У суррогатных мышей родилось здоровое потомство, несущее гены мышей-доноров. Более крупных животных пока не разводили. Лаборатория Оатли совершенствует процесс трансплантации стволовых клеток, прежде чем предпринять следующий шаг.
«Это исследование является убедительным доказательством концепции», – сказал профессор Брюс Уайтлоу из Института Рослина.
«Это показывает миру, что эта технология реальна. Его можно использовать », – сказал Уайтлоу. «Теперь мы должны решить, как лучше всего использовать его продуктивно, чтобы накормить наше растущее население».
Последний шаг в животноводстве
Ученые десятилетиями искали способ создания суррогатных производителей, чтобы преодолеть ограничения селективного разведения и искусственного осеменения, инструментов, которые требуют либо близости животных, либо строгого контроля их передвижения – а во многих случаях и того, и другого.
Искусственное осеменение распространено у молочного скота, который часто содержится в неволе, поэтому его репродуктивное поведение относительно легко контролировать, но эта процедура редко используется с мясным скотом, которому необходимо свободно передвигаться, чтобы кормиться. Для свиней процедура по-прежнему требует, чтобы животные находились поблизости, поскольку сперма свиней плохо переносит замораживание. У коз искусственное оплодотворение является довольно сложной задачей и может потребовать хирургического вмешательства.
Технология может быть использована для улучшения генетики в стадах мясного скота. Предоставлено: Университет штата Вашингтон.
Технология суррогатного отцовства может решить эти проблемы, поскольку суррогаты доставляют донорский генетический материал естественным путем – посредством нормального воспроизводства. Это позволяет владельцам ранчо и пастухам позволить своим животным нормально взаимодействовать на ареале или поле. Донорам и суррогатным маткам необязательно находиться рядом друг с другом, поскольку замороженная донорская сперма или само суррогатное животное могут быть отправлены в разные места. Кроме того, самки животных с нокаутом NANOS2 остаются фертильными – поскольку ген влияет только на мужскую фертильность – и могут быть выведены для эффективного получения стерильных самцов, которые будут использоваться в качестве суррогатных производителей.
Эта технология имеет большой потенциал для помощи в обеспечении продуктами питания в регионах развивающегося мира, где пастухам все еще приходится полагаться на селекционное разведение для улучшения своего поголовья, сказала Ирина Полежаева, профессор Государственного университета Юты.
«Козы – источник белка номер один во многих развивающихся странах, – сказала Полежаева. «Эта технология может позволить более быстрое распространение определенных признаков у коз, будь то устойчивость к болезням, большая термостойкость или лучшее качество мяса».
Технология суррогатных быков также может открыть новый вариант для генетического сохранения исчезающих видов, сокращение численности которых приводит к изоляции сообществ животных друг от друга, ограничивая их генетическое разнообразие.
Восприятие и политические препятствия
Однако ни одно из преимуществ суррогатных производителей не может быть реализовано без изменений в текущем ландшафте государственного регулирования и общественного мнения.
Даже когда технология достаточно продвинута для коммерциализации, суррогатные быки с редактированием генов не могут быть использованы в пищевой цепи где-либо в мире в соответствии с действующими правилами, даже если их потомство не будет подвергаться редактированию генов. Отчасти это связано с неправильным представлением о том, что редактирование генов – это то же самое, что и спорные манипуляции с генами, сказал Оатли. Редактирование генов включает в себя внесение изменений внутри вида, которые могут произойти естественным образом. Не совмещает ДНК из разных видов.
Оатли понимает, что за пределами лаборатории предстоит еще много работы, и недавно присоединился к Национальной целевой группе по редактированию генов в животноводстве, чтобы собрать вместе исследователей, представителей промышленности, специалистов по биоэтике и разработчиков политики, чтобы найти путь для развития этой технологии.
«Даже если вся наука будет завершена, скорость, с которой ее можно будет применить в животноводстве в любой точке мира, будет зависеть от общественного признания и федеральной политики», – сказал Оатли. «Работая с политиками и общественностью, мы можем помочь предоставить информацию, гарантирующую общественности, что эта наука не несет в себе рисков, которые несут другие методы».
Ссылка: «Донорский сперматогенез после трансплантации стволовых клеток в стерильных условиях. NANOS2 нокаутирующие самцы »Микелы Чиккарелли, Мариана И. Джассетти, Децианг Мяо, Мелисса Дж. Оатли, Колтон Роббинс, Бланка Лопес-Биладо, Мухаммад Салман Вакас, Ахмед Тибари, Брюс Уайтлоу, Саймон Лиллико, парк Чи-Хун, парк Ки-Юн. , Бхану телугу, Чжицян Фань, Ин Лю, Миша Регуски, Ирина А. Полежаева и Джон М. Оатли, 14 сентября 2020 г., Труды Национальной академии наук.
DOI: 10.1073 / pnas2010102117
Это исследование было поддержано Национальным институтом продовольствия и сельского хозяйства Министерства сельского хозяйства США, Инициативой по функциональной геномике WSU и Genus plc. Институт Рослина получает стратегическое инвестиционное финансирование от Исследовательского совета по биотехнологиям и биологическим наукам в рамках британской программы исследований и инноваций, а также является частью Королевской школы ветеринарных исследований Эдинбургского университета (Дика). В Университете штата Юта это исследование было поддержано Экспериментальной сельскохозяйственной станцией штата Юта.
