Dėl genų redagavimo kiaulės tapo atsparios mirtinai epidemijai

Vykdomas didelis projektas, skirtas ligoms atsparioms kiaulėms naudojant CRISPR pakeisti jų DNR. Ar šalia yra žmonės?

Autorius

• Antonio Regalado archyvo puslapis

2020 m. gruodžio 11 d

Selmano dizainas

Kai COVID-19 pradėjo lenktyniauti visame pasaulyje, šalys uždarė įmones ir liepė žmonėms likti namuose. Daugelis manė, kad to pakaks koronavirusui sustabdyti. Jei būtume skyrę daugiau dėmesio kiaulėms, galbūt būtume geriau žinoję. Kalbėdamas apie oru plintančių virusų kontrolę, sako Billas Christiansonas, manau, kad mes apgaudinėjame save, kiek galime būti veiksmingi.

Christiansonas yra epidemiologas ir veterinarijos gydytojas, vadovaujantis kiaulių gerinimo įmonei Hendersonvilyje, Tenesyje. Bendrovė parduoda elitines veislines kiaules kiaulienos pramonei, kuri pastaruosius 34 metus kovoja su virusine liga, vadinama kiaulių reprodukciniu ir kvėpavimo sindromu PRRS.

Ši istorija buvo mūsų 2021 m. sausio mėn. numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Patogenas sukelia ligą, vadinamą mėlyna ausis, dėl vieno iš labiau matomų simptomų; kai ji pirmą kartą pasirodė, devintajame dešimtmetyje, ji buvo tiesiog vadinama paslaptinga kiaulių liga. Užsikrėtusi PRRS (tariama murkimas), paršavedė gali persileisti arba atsivesti negyvų, susitraukusių paršelių.

Ir aš pasakysiu, kad taip, kiaulėms tai yra blogiau nei mums, sako Christiansonas.

Siekdami sustabdyti PRRS ir kitas ligas, kiaulių augintojai taiko priemones, žinomas visiems, kurie vengia COVID-19. Prieš įeidami į saugų kiaulių tvartą, pasimatuokite temperatūrą, nusiprauskite ir persirenkite. Priešpiečių dėžutės maudomos UV šviesoje, o reikmenys užpilami dezinfekavimo priemone. Tada yra klausimynas apie paskutinį jūsų kontaktą su kiaule – ar matėte kokią nors kiaulę savo poilsio dieną? Buvai kaimo mugėje? (Atsakymas „taip“ reiškia dviejų savaičių karantiną toli nuo darbo.)

Nepaisant atsargumo priemonių, virusas gali paslysti. Patekęs į vidų, jis greitai išplinta arti. Greitas gyvūnų populiacijos mažinimas, ty skerdimas, yra veiksmingiausias būdas atsikratyti. Blogais metais Amerikos kiaulių augintojai PRRS praranda 600 mln.

Dabar Christiansono įmonė, kuri yra Didžiosios Britanijos gyvūnų genetikos įmonės „Genus“ padalinys, bando ką nors kita. Užuot bandę atskirti gyvūnus nuo aplinkos, tai keičia pačias kiaules. Eksperimentinėje įstaigoje centrinėje JAV (saugumo sumetimais ši vieta laikoma paslaptyje) bendrovė turi kiaulių IVF centrą ir laboratoriją, kurioje kiaulių kiaušiniai yra genetiškai redaguojami naudojant revoliucines genų žirkles CRISPR.

Virtualios kelionės metu darbuotojas per redagavimo laboratoriją nunešė išmanųjį telefoną į nėštumo zoną, kur paršavedės praleidžia devynis mėnesius iki atsivedimo – paršiavimasis yra ūkininko terminas. Tada jis nuvedė į betoninį patalpą, kur genų modifikuoti paršeliai murmėjo ir žiūrėjo į kamerą. Bendrovės teigimu, šios jaunos kiaulės yra atsparios PRRS, nes jų kūne nebėra molekulinio receptoriaus, prie kurio prisijungia virusas.

Kiekvienas virusas atakuoja ląsteles susiliedamas su jomis ir suleisdamas savo genetinį krovinį. Sergant COVID-19 virusas prisijungia prie receptoriaus, vadinamo AKF-2, kuris yra dažnas kvėpavimo takų ir plaučių ląstelėse – dėl šios priežasties liga sukelia kvėpavimo problemų. Su PRRS tai yra CD163 , baltųjų kraujo kūnelių receptorius. Šios eksperimentinės kiaulės neturi pilno CD163 genas, nes dalis jo buvo pašalinta taikant genų redagavimą. Nėra receptorių, nėra infekcijos.

Niekada nemaniau, kad tai bus šviesos jungiklis... bet atrodo, kad jis veikia visų tipų kiaules ir prieš visas viruso padermes.

Billas Christiansonas

Remiantis neskelbtais bendrovės tyrimais, bandymai užkrėsti genų modifikuotas kiaules PRRS nebuvo sėkmingos. Niekada nemaniau, kad tai bus šviesos jungiklis, sako Christiansonas. Tačiau atrodo, kad jis veikia visų tipų kiaules ir prieš visas viruso padermes.

Žinoma, panašus metodas buvo išbandytas žmonėms. 2018 m. pražūtingai neapgalvotoje išvykoje Kinijos mokslininkai redagavo žmogaus embrionus, tikėdamiesi suteikti atsparumą ŽIV, kuris yra AIDS priežastis. Tie mokslininkai taip pat svajojo sustabdyti ligą pašalindami receptorių. Problema ta, kad technologija nebuvo pasirengusi saugiai atlikti tokio ambicingo darbo. Nors CRISPR įrankis yra nepaprastai universalus, jam trūksta tikslumo, o DNR operacija sukūrė kažką panašaus į genetinius randus dvyniams, gimusiems po eksperimento.

Rugsėjo mėn. aukšto lygio tarptautinė grupė pareiškė, kad niekas neturėtų dar kartą bandyti modifikuoti kūdikių, kol nebus aiškiai nustatyta, kad įmanoma efektyviai ir patikimai atlikti tikslius genomo pokyčius be nepageidaujamų žmogaus embrionų pokyčių.

Susijusi istorija

Kas yra GMO meniu: greitai auganti lašiša ir lėtai plaukiantis tunas

Masačusetse įsikūrusi biotechnologijų įmonė teigia, kad jos transgeninės lašišos jau beveik paruoštos rinkai.

Tačiau su kiaulėmis dabar yra genetinės modifikacijos era, o jos pranašumai gali būti matomi netrukus. „Genus“ tikisi laimėti leidimą parduoti savo kiaules JAV ir Kinijoje jau 2025 m. Jau dabar jos eksperimentinėse stotyse gyvena šimtai kiaulių, modifikuotų genų, ir tūkstančiai jų palikuonių – tikriausiai didžiausias skaičius bet kur. ( Skaitykite šoninę juostą dėl GM maistui skirtų gyvūnų reguliavimo patvirtinimo.)

Ilinojaus universiteto mokslininkui Raymondui Rowlandui, kuris dalyvavo kuriant pirmuosius PRRS atsparius gyvūnus, genų redagavimas yra didžiausia prasme būdas sukurti tobulesnį kiaulių ir jų laikytojų gyvenimą. Kiaulė niekada neužsikrečia virusu. Jums nereikia skiepų; jums nereikia diagnostinio tyrimo. Jis sako, kad viskas nuimama nuo stalo.

Elitinės kiaulės

Aldouso Huxley romaną Drąsus naujas pasaulis prasideda ekskursija po Centrinį Londono peryklą, kur vaikai ateities visuomenėje yra gaminami naudojant mėgintuvėlio procesą po iškaba, kurioje parašyta BENDRUOMENĖ, TAPATYBĖ, STABILUMAS. „Genus“ patalpose esantys ženklai dažniausiai yra apie temperatūros patikrinimą ir plovimą rankomis, tačiau koncepcija nėra tokia skirtinga. Kiekviena kiaulė yra sunumeruojama, stebima ir atliekami DNR tyrimai dėl jos genetinių savybių.

Įmonė tvarko gyvulius, atrinktus taip, kad jie būtų sveikiausi ir greičiausiai augtų bei turėtų didžiausias vados. Šie gyvūnai, kuriuos gentis vadina elitinėmis germplasmomis, vėliau dauginami veisiant dauginamuosius ūkius ir perkami gamintojų iš visur nuo Ajovos iki Pekino, kurie juos veisia dar toliau.

Bendrovė jau keletą metų naudojo DNR sekos nustatymą, kad nustatytų kiaules, turinčias pageidaujamų požymių, ir vadovautų savo veisimo programoms. 2015 m. ji pasirašė išskirtinę kiaulių ir galvijų genų redagavimo licenciją naudojant „Caribou Biosciences“ technologiją, kurią įkūrė Jennifer Doudna iš Kalifornijos universiteto Berklyje, praėjusį spalį pasidalijusi Nobelio premija už CRISPR kūrimą.

SELMAN DIZAINAS

Kadangi kiaulių įmonė neturėjo genų inžinerijos patirties, ėmė samdyti augalų biologus. Viena iš jų yra jos vyriausioji mokslo darbuotoja Elena Rice, rusų kilmės genetikė, kuri 18 metų dirbo „Monsanto“, daugiausia kurdama genetiškai modifikuotus kukurūzų augalus, kad jie augtų didesni ir atsispirtų sausrai. Augalai man niekada nebuvo emocingi, sako Rice. Maža kiaulė ar maža karvė – tai labai emocinga. Norisi juos apkabinti; norite, kad jie būtų sveiki. Tai tarsi vaikas. Jūs nenorite, kad jie sirgtų.

Genus tyrimų stotis sukurta siekiant greitai atlikti daugelio kiaulių redagavimo procesą. Paršavedės anestezuojamos, o po to susukamos į chirurginį kabinetą, kur veterinarai pašalina kiaušinėlius iš jų kiaušidžių. Kiaušinėliai perkeliami į laboratoriją, kur apvaisinami ir įvedamos CRISPR molekulės. Praėjus dviem dienoms po redagavimo, embrionai – iki to laiko kelių ląstelių dydžio – implantuojami į surogatines paršavedes.

CRISPR garsėja savo gebėjimu supjaustyti DNR iš anksto nustatytose vietose, tačiau praktiškai ši technologija turi atsitiktinį elementą. Nukreipkite jį į vieną genomo vietą ir pakeisite jį vienu iš kelių galimų būdų. Neplanuoti pokyčiai arba ne taikiniai taip pat gali pasirodyti toli genome.

Augaluose šis atsitiktinumas nėra tokia problema. Sėkmingas vienos sėklos genetinis pokytis (įvykis, kaip tai vadina augalų inžinieriai) gana greitai gali būti padaugintas iki milijono. Kiaulių atveju būtina sukurti identiškus daugelio gyvūnų pakeitimus, kad būtų sukurta veislinių kiaulių populiacija.

Eksperimentuose su kiaulių ląstelėmis genties tyrinėtojai išbandė daugybę galimų pakeitimų CD163 geną, ieškant tų, kurie atsiranda labiausiai nuspėjamai. Net ir dedant tokias pastangas, tik apie 20–30 % laiko gimsta kiaulės turi tinkamą redagavimą. Tie paršeliai, kurių genomas turi klaidų, patenka į komposto krūvą. Noriu pasakyti, kad ši technologija nėra paprasta. Jūs galite būti geras šios technologijos srityje arba blogas, sako Markas Ciganas, molekulinis biologas, atliekantis pagrindinį vaidmenį programoje. Turime būti griežti, nes norime nuspėjamų pokyčių visose kiaulėse. Kiekvieną kartą turi būti tas pats pokytis.

Gripo naikinimas

Nors PRRS yra didelė JAV problema, „Genus“ ir kitos bendrovės mano, kad gali padaryti kiaules atsparias ir kitiems virusams. Jie tiria, ar genų redagavimas galėtų sukurti kiaules, kurios neužsikrėstų afrikiniu kiaulių maru – liga, kuri siaučia Kinijoje ir nuo 2018 m. praranda pusę tos šalies kiaulių. Tyrėjai, tokie kaip Rowlandas, teigia, kad redaguotos kiaulės taip pat gali turėti netiesioginę naudą, nes sumažina tikimybę, kad tam tikri virusai iš kiaulių išplis žmonėms.

Covid-19 kilmė vis dar nenustatoma, tačiau vyrauja teorija, kad liga yra zoonozinė, o tai reiškia, kad ji perėjo nuo gyvūnų prie žmonių. Kadangi kiaulės naujojo koronaviruso neužsikrečia, greičiausiai jos neturėjo jokios įtakos COVID-19 atsiradimui. Tačiau kiaulių fermos garsėja tuo, kad prasideda gripo pandemijos. Kiaulės gali užsikrėsti ir paukščių, ir žmonių gripu, be kiaulių gripo. Dėl to jie yra pavojingi maišymo indai, kuriuose gripo virusai gali keistis DNR dalimis.

Toks genetinių dalių persigrupavimas gali staiga sukelti naują gripo virusą, kuris plinta tarp žmonių, kurie neturės imuniteto. 2009 m. kiaulių gripas H1N1 pernešė virusinius elementus iš paukščių, kiaulių ir žmonių. JAV buvo apie 61 milijonas atvejų: beveik 300 000 žmonių pateko į ligoninę, o apie 12 500 mirė. Mirtiną 1918 m. gripo pandemiją JAV lydėjo kiaulių gripas, nors ryšys tarp jų tebėra neįrodytas.

Nuo praėjusių metų Genus mokėjo Kanzaso valstijos universiteto mokslininkui Jürgenui Richtui, kad šis padėtų sukurti kiaules, atsparias gripui. Richtas nėra tikras, kad gali padaryti kiaules visiškai atsparias greitai besivystantiems gripo virusams, tačiau jis tikisi, kad sugebės sulėtinti patogenų plitimą, galbūt net pakankamai, kad sumažintų kitos pandemijos tikimybę. Jei gausite mažiau replikacijos, gausite mažiau mutacijų, mažiau perskirstysite, sako jis. Galutinis rezultatas – mažesnė viruso evoliucija.

Kadangi receptoriai, prie kurių prisijungia gripas, yra labai dažni organizme, joks gyvūnas negalėtų išgyventi jų pašalinimo, sako Richtas. Taigi projektu siekiama pašalinti kitus genus, baltymus, vadinamus proteazėmis, kurių gripui ir COVID-19 reikia kaip pagalbinių molekulių, kurios veiksmingai patektų į ląsteles. Kadangi yra daug gripo tipų, reikės pašalinti daugiau nei vieną proteazę, todėl kyla klausimas, ar kiaulės, turinčios per daug ištrintų genų, gali klestėti. Jei kiaulė yra Jenga bokštas, kiek blokų galima nuimti, kol gyvūnas subyrės?

Nežinau genų išėmimo ribos. Štai kodėl mes darome bandymus ir klaidas, sako Richtas. Tačiau mes norime, kad jie būtų atsparūs bet kokiam gripui, iš visų visuomenės sluoksnių.

Kol kas neaišku, ar PRRS atsparios kiaulės, iš kurių pašalintas tik vienas receptorius, yra sveikos ir normalios. Cigan sako, kad bendrovė mano, kad jie yra; tyrėjai negali įžvelgti kitų skirtumų savo bandymuose, kuriais matuojamas, pavyzdžiui, kiek kiaulės suėda ir priauga svorio. Tačiau neplanuoti pokyčiai gali būti subtilūs.

Richt sako, kad prieš dešimtmetį jis užsiėmė galvijų atsparumu karvių proto ligai. Pašalinus vieną geną, jis pajuto, kad jie buvo pakeisti. Tai, kaip jie atsistojo, buvo juokinga – buvo sunku juos prisikelti, sako jis. Prižiūrėtojas man pasakė, kad jie kvaili, todėl galbūt buvo paveikta žvalgyba. Turėdamas tik tuziną karvių, jis niekada nebuvo tikras, bet įtaria, kad galvijai prarado prabangos funkciją – tokią, kuri nebuvo gyvybiškai svarbi išgyvenimui, bet kurios pašalinimas pablogino jutimo sistemą.

Juodasis maras

Jei kiaulių genų redagavimas yra tobulas – rūšis anatomiškai tokia panaši į žmones, kad gydytojai tikisi kada nors žmonėms persodinti kiaulių inkstus – kokios bus pasekmės žmonėms? Diskusijos apie žmogaus genetinę modifikaciją dažnai apsiriboja klausimu, ar būtų moralu, pavyzdžiui, pakeisti vaiko akių spalvą ar intelektą. Tačiau kiaulių perykla rodo, kad CRISPR gali suteikti žmonėms įgimtų genetinių vakcinų nuo baisiausių infekcinių ligų, su kuriomis jie gali susidurti.

Kinijos mokslininkai, kurie redagavo žmogaus embrionus, kad jie būtų atsparūs ŽIV, siekė būtent tokio revoliucinio vystymosi. Ir problemos, su kuriomis jie susidūrė, buvo panašios į tuos genus veidus: jie negalėjo kontroliuoti tikslių atliktų pakeitimų ir negalėjo būti tikri, kad suardo vieną geną (vadinamą). CCR5 ) neturėtų nenumatytų pasekmių. Tačiau tame eksperimente antrųjų bandymų nebuvo. Be to, daugelis abejojo, ar rizikingas bandymas buvo medicininiu požiūriu būtinas, nes vaistai gali kontroliuoti ŽIV dešimtmečius.

Jei kiaulių genų redagavimas yra tobulas – rūšis anatomiškai tokia panaši į žmones, kad gydytojai tikisi kada nors žmonėms persodinti kiaulių inkstus – kokios bus pasekmės žmonėms?

Nuo Kinijos fiasko Amerikos ir Didžiosios Britanijos mokslo akademijos teigė, kad genų redagavimas, kai jis yra pakankamai saugus naudoti žmonių dauginimuisi, turėtų vengti bet kokio tobulinimo, o imtis siauresnių tikslų, pavyzdžiui, užkirsti kelią paveldėtoms ligoms, tokioms kaip pjautuvas. - ląstelių liga savo vaikams.

Tačiau kiti mano, kad svarbu įvaldyti technologiją kaip galimą apsaugą nuo būsimų pandemijų. Receptoriaus pašalinimas iš kitų kartų žmonių galėtų būti civilizacijos atmetimas, jei visuomenę užklups superliga, kurios negalima suvaldyti vakcinomis ar vaistais ir kuriai nesukuriame imuniteto.

Mes, kaip rūšis, turime išlaikyti lankstumą būsimų grėsmių akivaizdoje, kad galėtume kontroliuoti savo paveldimumą, 2018 m. auditorijai Honkonge sakė Harvardo medicinos mokyklos dekanas George'as Daley. Jis išvardijo atsparumą pasaulinėms pandemijoms kaip vieną iš priežasčių sukurti metodus, skirtus žmonėms modifikuoti.

Covid-19 parodo, kaip naujas gemalas gali sprogti iš niekur ir išplisti visame pasaulyje. Bendras mirtingumas nuo užsikrėtimo naujuoju koronavirusu, galbūt 0,5%, nekelia pavojaus žmonijos egzistavimui. O kas, jei kita pandemija panašesnė į Juodąjį marą, kuris viduramžiais nusinešė trečdalį ar daugiau Europos gyventojų? Tai tolima galimybė, kaip asteroido smūgis. Tačiau gebėjimas pritaikyti žmones atsispirti tam tikriems mikrobams gali būti naudinga technologija, kurią verta turėti.

Iš to, ką jie žino apie gyvūnus, Genus mokslininkai mano, kad redaguoti žmones yra futuristiška, bet ne neįmanoma. Prieš dvidešimt metų Rice būtų sakęs, kad tai gryna fantastika. Tačiau dabar mes iš tikrųjų galime tai padaryti dėl gyvūnų, sako ji. Įrankius turime.

paslėpti