Edycja genów uodporniła świnie na śmiertelną epidemię

Trwa duży projekt dotyczący odpornych na choroby świń przy użyciu CRISPR do zmiany ich DNA. Czy następni są ludzie?

Za pomocą

• Antonio Regalado strona archiwum

11 grudnia 2020 r.

Selman projekt

Kiedy covid-19 zaczął się ścigać na całym świecie, kraje zamknęły firmy i kazały ludziom zostać w domu. Wielu uważało, że to wystarczy, aby powstrzymać koronawirusa. Gdybyśmy zwracali większą uwagę na świnie, moglibyśmy wiedzieć lepiej. Jeśli chodzi o kontrolowanie wirusów przenoszonych drogą powietrzną, mówi Bill Christianson, myślę, że oszukujemy się na tym, jak skuteczni możemy być.

Christianson jest epidemiologiem i weterynarzem, który kieruje firmą Pig Improvement Company w Hendersonville w stanie Tennessee. Firma sprzedaje elitarną świnię hodowlaną przemysłowi wieprzowemu, który od 34 lat walczy z chorobą wirusową zwaną zespołem rozrodczo-oddechowym świń PRRS.

Ta historia była częścią naszego wydania ze stycznia 2021 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Patogen powoduje chorobę znaną jako niebieskie ucho, ze względu na jeden z bardziej widocznych objawów; kiedy pojawiła się po raz pierwszy, w latach 80., nazywano ją po prostu tajemniczą chorobą świń. Po zakażeniu PRRS (wyraźne mruczenie) locha może poronić lub urodzić martwe, pomarszczone prosięta.

I powiem tak, dla świń jest gorzej niż dla nas, mówi Christianson.

Aby powstrzymać PRRS, a także inne choroby, hodowcy świń stosują środki znane każdemu, kto unika Covid-19. Zanim wejdziesz do bezpiecznej chlewni, mierzysz temperaturę, bierzesz prysznic i zmieniasz ubrania. Pudełka na lunch są skąpane w świetle UV, a zapasy są zamgławiane środkiem dezynfekującym. Następnie jest kwestionariusz dotyczący twojego ostatniego kontaktu ze świniami — widziałeś jakąś świnię w dniu wolnym? Byłeś na targach krajowych? (Odpowiedź „tak” oznacza dwutygodniową kwarantannę z dala od pracy).

Pomimo środków ostrożności wirus może się wślizgnąć. Po wejściu do środka szybko rozprzestrzenia się w bliskim sąsiedztwie. Najskuteczniejszym sposobem na pozbycie się tego jest szybkie wyludnienie, tj. ubój zwierząt. W złych latach amerykańscy hodowcy świń tracą na PRRS 600 milionów dolarów.

Teraz firma Christiansona, będąca oddziałem brytyjskiej firmy genetyki zwierząt Genus, próbuje czegoś innego. Zamiast próbować odizolować zwierzęta od środowiska, zmienia same świnie. W ośrodku eksperymentalnym w środkowych Stanach Zjednoczonych (lokalizacja utrzymywana w tajemnicy ze względów bezpieczeństwa) firma ma centrum in vitro dla świń i laboratorium, w którym genetycznie edytowane są jaja świń za pomocą CRISPR, rewolucyjnych nożyczek genowych.

Podczas wirtualnej wycieczki pracownica przeniosła smartfon przez laboratorium montażowe do obszaru ciąży, gdzie lochy spędzają dziewięć miesięcy do porodu — termin oproszenia to termin rolnika. Następnie poprowadził ich do betonowego pomieszczenia, w którym edytowane geny prosięta chrząkały i wpatrywały się w kamerę. Według firmy te młode świnie są odporne na PRRS, ponieważ ich ciała nie zawierają już receptora molekularnego, do którego dokuje wirus.

Każdy wirus atakuje komórki, łącząc się z nimi i wstrzykując swój ładunek genetyczny. W przypadku Covid-19 wirus przyłącza się do receptora zwanego ACE-2, który jest powszechny w komórkach dróg oddechowych i płuc – powód, dla którego choroba powoduje problemy z oddychaniem. Z PRRS to CD163 , receptor na białych krwinkach. Te eksperymentalne świnie nie mają kompletnego CD163 gen, ponieważ jego część została usunięta podczas edycji genów. Bez receptora, bez infekcji.

Nigdy nie sądziłem, że to będzie włącznik światła… ale wydaje się, że działa na wszystkie rodzaje świń i na wszystkie szczepy wirusa.

Bill Christianson

Według nieopublikowanych badań firmy, próby zainfekowania świń z redakcją genową PRRS nie powiodły się. Nigdy nie sądziłem, że to będzie włącznik światła, mówi Christianson. Ale wydaje się, że działa na wszystkie typy świń i na wszystkie szczepy wirusa.

Notorycznie podobną metodę próbowano u ludzi. Podczas katastrofalnie lekkomyślnej wyprawy w 2018 roku chińscy naukowcy edytowali ludzkie embriony w nadziei na uodpornienie się na HIV, przyczynę AIDS. Ci badacze również marzyli o powstrzymaniu choroby poprzez usunięcie receptora. Problem polegał na tym, że technologia nie była gotowa do bezpiecznego wykonania tak ambitnej pracy. Chociaż narzędzie CRISPR jest niezwykle wszechstronne, brakuje mu precyzji, a chirurgia DNA stworzyła coś podobnego do blizn genetycznych u bliźniąt urodzonych w wyniku eksperymentu.

We wrześniu międzynarodowy panel wysokiego szczebla stwierdził, że nikt nie powinien ponownie próbować modyfikować dzieci, dopóki nie zostanie jasno ustalone, że możliwe jest skuteczne i niezawodne dokonywanie precyzyjnych zmian genomowych bez niepożądanych zmian w ludzkich embrionach.

Powiązana historia

Co w menu GMO: szybko rosnący łosoś i wolno pływający tuńczyk

Firma biotechnologiczna z Massachusetts twierdzi, że jej transgeniczny łosoś jest prawie gotowy do wprowadzenia na rynek.

Ale w przypadku świń nadeszła era modyfikacji genetycznych, a jej korzyści mogą być wkrótce widoczne. Genus ma nadzieję uzyskać zgodę na sprzedaż swoich świń w Stanach Zjednoczonych i Chinach już w 2025 roku. Już teraz jego stacje eksperymentalne są domem dla setek świń z edytowanymi genami i tysięcy ich potomków – prawdopodobnie największej liczby na świecie. ( Przeczytaj pasek boczny w sprawie zatwierdzania przez organy GMO zwierząt spożywczych.)

Dla Raymonda Rowlanda, badacza z University of Illinois, który był zaangażowany w stworzenie pierwszych zwierząt odpornych na PRRS, edycja genów jest w największym tego słowa znaczeniu, sposobem na stworzenie doskonalszego życia dla świń i ich hodowców. Świnia nigdy nie dostaje wirusa. Nie potrzebujesz szczepionek; nie potrzebujesz testu diagnostycznego. To zdejmuje wszystko ze stołu, mówi.

Elitarne świnie

Powieść Aldousa Huxleya Odważny nowy świat zaczyna się od zwiedzania Central London Hatchery, gdzie dzieci w przyszłym społeczeństwie są produkowane w probówce pod napisem WSPÓLNOTA, TOŻSAMOŚĆ, STABILNOŚĆ. Znaki w zakładach Genus dotyczą głównie kontroli temperatury i mycia rąk, ale koncepcja nie jest tak inna. Każda świnia jest numerowana, monitorowana i testowana DNA pod kątem jej cech genetycznych.

Firma zarządza zwierzętami wyselekcjonowanymi tak, aby były najzdrowsze i najszybciej rosnące oraz miały największe mioty. Zwierzęta te – to, co Genus nazywa elitarną plazmą zarodkową – są następnie rozmnażane poprzez hodowlę na fermach rozmnażania i kupowane przez producentów na całym świecie od Iowa po Pekin, którzy hodują je jeszcze dalej.

Firma od kilku lat wykorzystuje sekwencjonowanie DNA do identyfikacji świń o preferowanych cechach oraz do sterowania programami hodowlanymi. W 2015 roku podpisała wyłączną licencję na edycję genów świń i bydła przy użyciu technologii Caribou Biosciences, firmy założonej przez Jennifer Doudna z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, która w październiku ubiegłego roku otrzymała Nagrodę Nobla za rozwój CRISPR.

PROJEKTOWANIE SELMAN

Ponieważ firma zajmująca się świniami nie miała doświadczenia w inżynierii genetycznej, zaczęła zatrudniać biologów roślin. Jednym z nich jest dyrektor naukowy Elena Rice, urodzona w Rosji genetyk, która spędziła 18 lat w Monsanto, głównie opracowując genetycznie zmodyfikowane rośliny kukurydzy, aby rosły i były odporne na suszę. Rośliny nigdy nie były dla mnie emocjonalne, mówi Rice. Mała świnka czy krowa — to bardzo emocjonalne. Chcesz je przytulić; chcesz, żeby były zdrowe. To jak mieć dziecko. Nie chcesz, żeby byli chorzy.

Stacja badawcza Genus jest przygotowana do szybkiego przeprowadzenia procesu edycji na wielu świniach. Lochy są znieczulane, a następnie przewożone do sali chirurgicznej, gdzie weterynarze usuwają jajeczka z ich jajników. Jaja są przenoszone do laboratorium, gdzie są zapładniane i wprowadzane są cząsteczki CRISPR. Dwa dni po edycji embriony – do tego czasu wielkości kilku komórek – są wszczepiane maciorom zastępczym.

CRISPR słynie ze swojej zdolności do cięcia DNA w określonych miejscach, ale w praktyce technologia ta ma element losowy. Wyceluj go w jedno miejsce w genomie, a zmienisz go na jeden z kilku możliwych sposobów. Nieplanowane zmiany lub niedocelowe mogą również pojawić się w odległych miejscach genomu.

W roślinach ta przypadkowość nie jest takim problemem. Udana zmiana genetyczna w pojedynczym ziarnie (zdarzenie, jak nazywają to inżynierowie roślin) może zostać pomnożona do miliona szybciej. W przypadku świń konieczne jest utworzenie identycznych edycji u wielu zwierząt w celu ustalenia populacji świń założycielskich do hodowli.

W eksperymentach na komórkach świni naukowcy z Genus wypróbowali wiele możliwych zmian w CD163 gen, szukając tych, które występują najbardziej przewidywalnie. Nawet przy takich wysiłkach rodzące się świnie mają właściwą edycję tylko w około 20 do 30% przypadków. Te prosięta, których genomy zawierają błędy, trafiają na pryzmę kompostu. Chcę przekazać, że ta technologia nie jest prosta. Możesz być dobry lub zły w tej technologii, mówi Mark Cigan, biolog molekularny zajmujący kierownicze stanowisko w programie. Musimy być rygorystyczni, ponieważ chcemy przewidywalnej zmiany u wszystkich świń. Za każdym razem musi to być ta sama zmiana.

Zwalczanie grypy

Chociaż PRRS jest dużym problemem w USA, Genus i inne firmy uważają, że mogą uodpornić świnie również na inne wirusy. Badają, czy edycja genów może stworzyć świnie, które nie zarażą afrykańskiego pomoru świń, choroby, która szerzy się w Chinach i od 2018 roku doprowadziła do utraty połowy świń w tym kraju. Naukowcy tacy jak Rowland twierdzą, że edytowane świnie mogą również przynieść pośrednią korzyść w postaci zmniejszenia szansy, że niektóre wirusy przeniosą się ze świń na ludzi.

Początki Covid-19 są nadal niejasne, ale przeważa teoria, że ​​choroba jest odzwierzęca, co oznacza, że ​​przeskoczyła ze zwierząt na ludzi. Ponieważ świnie nie łapią nowego koronawirusa, prawdopodobnie nie odegrały żadnej roli w pojawieniu się Covid-19. Ale hodowle świń są znane z wywoływania pandemii grypy. Oprócz świńskiej grypy świnie mogą złapać zarówno ptasią, jak i ludzką grypę. To czyni je niebezpiecznym naczyniem do mieszania, w którym wirusy grypy mogą wymieniać między sobą odcinki DNA.

Takie przearanżowanie części genetycznych może nagle wytworzyć nowy wirus grypy, który rozprzestrzenia się wśród ludzi, którzy nie będą mieli odporności. Świńska grypa H1N1 2009 zawierała elementy wirusa pochodzące od ptaków, świń i ludzi. W USA było około 61 milionów przypadków: prawie 300 000 osób trafiło do szpitala, a około 12 500 zmarło. Śmiertelnej pandemii grypy z 1918 roku w Stanach Zjednoczonych towarzyszyła świńska grypa, choć związek między nimi pozostaje nieudowodniony.

Od zeszłego roku Genus płaci Jürgenowi Richtowi, naukowcowi z Uniwersytetu Stanowego Kansas, za pomoc w projektowaniu świń odpornych na grypę. Richt nie jest pewien, czy może całkowicie uodpornić świnie na szybko rozwijające się wirusy grypy, ale ma nadzieję, że może spowolnić patogeny, a może nawet na tyle, by zmniejszyć ryzyko kolejnej pandemii. Jeśli masz mniej replikacji, masz mniej mutacji, mniej przearanżowania, mówi. Efektem końcowym jest mniejsza ewolucja wirusa.

Ponieważ receptory, do których przyłącza się grypa, są tak powszechne w organizmie, żadne zwierzę nie przeżyje ich usunięcia, mówi Richt. Dlatego projekt ma na celu usunięcie innych genów, białek zwanych proteazami, których grypa – i Covid-19 – wymagają jako cząsteczek pomocniczych, aby skutecznie wnikać do komórek. Ponieważ istnieje wiele rodzajów grypy, konieczne będzie usunięcie więcej niż jednej proteazy, co prowadzi do pytania, czy świnie ze zbyt dużą liczbą usuniętych genów mogą dobrze się rozwijać. Jeśli świnia jest wieżą Jenga, ile bloków można usunąć, zanim zwierzę się rozpadnie?

Nie znam granicy usuwania genów. Dlatego stosujemy metodę prób i błędów, mówi Richt. Ale to, czego chcemy, to uczynić je odpornymi na wszystkie grypy, ze wszystkich środowisk.

Nie jest jeszcze jasne, czy świnie odporne na PRRS, z usuniętym tylko jednym receptorem, są zdrowe i poza tym normalne. Cigan mówi, że firma tak myśli; naukowcy nie widzą innych różnic w swoich testach, które mierzą takie rzeczy, jak to, ile świnie jedzą i przybierają na wadze. Ale nieplanowane zmiany mogą być subtelne.

Richt mówi, że dziesięć lat temu był zaangażowany w uodparnianie bydła na chorobę szalonych krów. Po usunięciu jednego genu wyczuł, że zostały zmienione. Sposób, w jaki wstali, był zabawny – trudno było je przywrócić, mówi. Dozorca powiedział mi, że są głupi, więc może wpłynęło to na inteligencję. Mając zaledwie tuzin krów, nigdy nie był pewien, ale podejrzewa, że ​​bydło straciło funkcję luksusową – taką, która nie była niezbędna do przetrwania, ale której usunięcie doprowadziło do degradacji systemu sensorycznego.

Czarna Plaga

Jeśli edycja genów zostanie udoskonalona u świń – gatunku anatomicznie tak podobnego do ludzi, że lekarze mają nadzieję, że pewnego dnia przeszczepią ludziom świńskie nerki – jakie będą tego konsekwencje dla ludzi? Debata na temat modyfikacji genetycznych człowieka często sprowadza się do pytania, na przykład, czy zmiana koloru oczu lub inteligencji dziecka byłaby moralna. Ale wylęgarnia świń pokazuje, że CRISPR może dać ludziom wrodzone szczepionki genetyczne przeciwko najgorszym chorobom zakaźnym, jakie mogą napotkać.

Naukowcy w Chinach, którzy edytowali ludzkie embriony, aby stawić opór HIV, prowadzili właśnie taki rewolucyjny rozwój. A problemy, na które natknęli się, były podobne do tych z twarzy Genus: nie mogli dokładnie kontrolować wprowadzonych zmian i nie mogli być pewni, że zakłócenie jednego genu (tzw. CCR5 ) nie miałoby nieprzewidzianych konsekwencji. W tym eksperymencie nie było jednak drugich prób. Ponadto wielu kwestionowało, czy ryzykowna próba była konieczna z medycznego punktu widzenia, ponieważ leki mogą utrzymywać HIV pod kontrolą przez dziesięciolecia.

Jeśli edycja genów zostanie udoskonalona u świń – gatunku anatomicznie tak podobnego do ludzi, że lekarze mają nadzieję, że pewnego dnia przeszczepią ludziom świńskie nerki – jakie będą tego konsekwencje dla ludzi?

Od czasu chińskiego fiaska amerykańskie i brytyjskie akademie naukowe stwierdziły, że edycja genów, gdy jest wystarczająco bezpieczna do wykorzystania w reprodukcji człowieka, powinna unikać wszelkiego rodzaju ulepszania i zamiast tego brać na siebie węższe cele, takie jak zapobieganie przechodzeniu przez ludzi chorób odziedziczonych, takich jak sierp. -choroby komórkowe do swoich dzieci.

Jeszcze inni uważają, że ważne jest opanowanie technologii jako możliwej ochrony przed przyszłymi pandemiami. Usunięcie receptora z następnych pokoleń ludzi może być odwrotem cywilizacyjnym, jeśli społeczeństwo zostanie dotknięte super-chorobą, której nie da się kontrolować za pomocą szczepionek lub leków i na którą nie wykształcimy odporności.

Jako gatunek musimy zachować elastyczność w obliczu przyszłych zagrożeń, aby przejąć kontrolę nad naszą własną dziedzicznością, powiedział George Daley, dziekan Harvard Medical School podczas słuchania w Hongkongu w 2018 roku. Wymienił odporność na globalne pandemie. jako jeden z powodów rozwoju technik modyfikowania istot ludzkich.

Covid-19 pokazuje, jak nowy zarazek może eksplodować znikąd i rozprzestrzeniać się na całym świecie. Ogólna śmiertelność z powodu infekcji nowym koronawirusem, być może 0,5%, nie zagraża istnieniu ludzkości. Ale co, jeśli następna pandemia będzie bardziej przypominała Czarną Plagę, która zabiła jedną trzecią lub więcej populacji Europy w średniowieczu? To odległa możliwość, jak uderzenie asteroidy. Ale możliwość skonstruowania ludzi tak, aby opierali się określonym zarazkom, może być technologią, którą warto mieć w kieszeni.

Z tego, co wiedzą o zwierzętach, naukowcy z Genus uważają, że edytowanie ludzi jest futurystyczne, ale nie niemożliwe. Dwadzieścia lat temu Rice powiedziałby, że to czysta fikcja. Ale teraz możemy to zrobić dla zwierząt, mówi. Mamy narzędzia.

ukryć