Аванс, опубликованный в Proceedings of the National Academy of Sciences за сентябрь. 14, может ускорить распространение желаемых характеристик в животноводстве и улучшить производство продуктов питания для растущего населения мира.
Это также позволит селекционерам 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 лучше распознать желательные характеристики 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, то это означает, что мы должны вводить меньше воды, корма и антибиотиков животным."
Исследовательская группа под руководством Оатли использовала инструмент редактирования генов CRISPR-Cas9, чтобы выбить ген, специфичный для мужской фертильности, в эмбрионах животных, которые будут выращены, чтобы стать суррогатными отцами. Затем самцы рождались бесплодными, но начали производить сперму после того, как исследователи трансплантировали стволовые клетки от 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, такие как бесплодие.
Исследование является результатом шести лет совместной работы исследователей из WSU, Университета штата Юта, Университета Мэриленда и Института Рослина при Эдинбургском университете в США.K.
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 стволовые клетки, продуцирующие сперматозоиды, 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 еще не разводили. Лаборатория Оатли совершенствует процесс трансплантации стволовых клеток, прежде чем предпринять следующий шаг.
По словам профессора Брюса Уайтлоу из Рослинского института, это исследование является убедительным доказательством концепции.
"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, так как сперма свиней плохо переносит замораживание.
У коз искусственное оплодотворение является довольно сложной задачей и может потребовать хирургического вмешательства.
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 матерям не обязательно 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 продовольствием в местах в развивающихся странах, 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, более высокая термостойкость или лучшее качество мяса."
Технология суррогатных производителей также может открыть новый вариант генетического сохранения исчезающих видов, сокращение численности которых оставляет сообщества животных изолированными 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, отредактированные генами, не могут быть использованы в пищевой цепочке 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 объединяет ДНК 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 общественность, что эта наука не несет в себе рисков, которые несут другие методы."
Это исследование было поддержано Национальным институтом продовольствия и сельского хозяйства Министерства сельского хозяйства США, Инициативой функциональной геномики WSU и Genus plc. Институт Рослина получает стратегическое инвестиционное финансирование от Исследовательского совета по биотехнологиям и биологическим наукам в рамках U.K.
Исследования и инновации, и он является частью Королевской школы ветеринарных исследований Эдинбургского университета (Дик). В Университете штата Юта это исследование было поддержано Экспериментальной сельскохозяйственной станцией штата Юта.