В последние годы технология CRISPR/Cas совершила революцию после создания основного метода молекулярной генетики — полимеразной цепной реакции. Данная система уже активно применяется для редактирования генома обширного спектра объектов, включая сельскохозяйственных животных.
Ключевые слова: сельское хозяйство, CRISPR/Cas, редактирование геномов, свиньи, КРС, овцы, птица.
In recent years, CRISPR / Cas technology has revolutionized after the creation of the main method of molecular genetics — polymerase chain reaction. This system is already actively used for editing the genome of a wide range of objects, including farm animals.
Keywords: agriculture, CRISPR/Cas, genome editing, pigs, cattle, sheep, poultry.
До настоящего времени ученые не могли предположить, что при помощи бактерий мы сможем лечить генетические болезни человека. В конце 1980 годов в Японии ученые частично определили геном кишечной палочки и обнаружили участок, который ничего не кодировал. На этом участке находились повторяющиеся последовательности ДНК, разделенные вариабельными участками — спейсерами. Наличие протяженного не закодируемого участка насторожило ученых, так как бактерии не несут лишних последовательностей. Позже подобные «кассеты» повторов и спейсеров найдут у большого количества бактерий и архей и назовут CRISPR [1].
В основу системы CRISPR/Cas9 положены особые участки бактериальной ДНК, короткие палиндромные кластерные повторы. Между идентичными повторами расположены различающиеся между собой фрагменты ДНК-спейсеры, многие из которых соответствуют участкам геномов вирусов, паразитирующих на данной бактерии. При попадании вируса в бактериальную клетку он обнаруживается с помощью специализированных Cas-белков (CRISPR-associated sequence — последовательность, ассоциированная с CRISPR), связанных с CRISPR РНК. Если фрагмент вируса «записан» в спейсере CRISPR РНК, Cas-белки разрезают вирусную ДНК и уничтожают ее, защищая клетку от инфекции. Теперь можно подвести итоги и дать более точное определение этой технологии, CRISPR/Cas — это новая технология редактирования геномов высших организмов, базирующаяся на иммунной системе бактерий [2].
В Российской Федерации с 2019 по 2027 год реализуется программа развития генетических технологий. Целью данной программы являются — комплексное решение задач ускоренного развития генетических технологий, а также технологий генетического редактирования, создания научно-технологических заделов для медицины, сельского хозяйства и промышленности, совершенствовании и контроль мер по предупреждению чрезвычайных ситуаций биологического характера. Итогом программы ожидаются 30 линий растений и животных, созданных при помощи генетических технологий и редактирования, в фармацевтике появятся 20 генно-терапевтических лекарственных препаратов.
Одни из самых неприхотливых и хорошо плодовитых сельскохозяйственных животных являются — свиньи. В короткие сроки можно получить большое поголовье поросят. Отрасль свиноводства является важной для населения так, как обеспечивает его мясными продуктами.
Дополнительно можно сказать, что свинья это альтернатива для исследования различных заболеваний человека. Китайские учёные смогли показать как технология CRISPR/Cas9 смогла убрать ген гликопротеин плазмы крови, мутация которого у человека вызывает серьезную болезнь Виллебранда (спонтанные кровотечения, болезнь схожа с гемофилией). Быстрое кровотечение после убоя это важный фактор, так как оставшаяся кровь является благоприятной средой для развития бактерий, а это в свою очередь опасно для жизни человека. Таким образом, нокаут этого гена позволит снизить сворачиваемость крови, что поспособствует активному ее оттоку после убоя [3].
Разведение КРС с ведется в трех направлениях — молочное, мясное и молочно-мясное. Применение технологии редактирования генома у коров позволит увеличить продуктивность животных, сократить технологические потери, и получить животных с нужными качествами. У коров в качестве мишени был выбран ген бета-лактоглобулина, одного из сывороточных белков молока, на который у человека, прежде всего у детей, может возникать аллергия. Задача редактирования — выключение этого гена с целью получения гипоаллергенного молока. 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.
Для получения высокой мясной продуктивности овец необходимо нокаутировать ген MSTN (миостатин), участвующий в росте мышц. Что касается овец, то у нас есть уже линии клеток, которые отредактированы по гену миостатина.
По отношению к сельскохозяйственной птице классический метод микроинъекции генетической конструкции Cas9/gRNA, для редактирования генома в зиготу связан с проблемами в точности определения овуляции, большом количестве желтка в яйцеклетке, труднодоступностью яйцеклетки, сильным уплотнением цитоплазмы около пронуклеусов. Китайские ученые нокаутировали два гена яичного белка (OVA) и овомукоид (OVM) с использованием вирусной инфекции у раннего эмбриона в первичных зародышевых клетках. Таким образом можно получить яйца без белков овальбумина и овомукоида, тем самым снизив аллергенность яиц [4].
Вывод. Сельскохозяйственные животные, гены которых были отредактированы при помощи технологии CRISPR/Cas9, являются усовершенствованными организмами-моделями, и считаются доказательством новейших концепций крупномасштабного производства продуктов питания и их производных. Совсем скоро постоянное улучшение технологий редактирования геномов позволит расширить технические возможности методов трансгенеза, способствующих процветанию науки, развитию молекулярной биологии, а также станет научной базой для улучшения отечественных пород сельскохозяйственных животных с целью обеспечения населения полноценными и качественными продуктами питания.
Литература:
- Волкова О. Просто о сложном: CRISPR/Cas / О. Волкова, А. Коротаев // Биомолекула — 2016 [Электронный ресурс]. URL: https://biomolecula.ru/articles/prostoo-slozhnom-crispr-cas.
- Закиян С. М., Медведев С. П., Дементьева Е. В., Власов В. В. Редактирование генов и геномов. 2016. 432 с.
- Мкртчян Г. В., Кровикова А. Н., Пискарёв Д. И. Генетические модификации свиней с помощью метода редактирования CRISPR/CAS9. Современная наука: актуальные проблемы теории и практики. Серия: Естественные и технические науки. 2019. № 6. С. 26–30.
- Яковлев А. Ф. Редактирование генома сельскохозяйственных животных/ Генетика и разведение животных. 2018. № 2. С. 4–12.
