Transgenní prasata


Perspektivy transgenních prasat

První transgenní prasata byla vytvořena již před více než 30-ti lety a exprimovala lidský růstový hormon. O několik let později byla generována transgenní prasata, která exprimovala bovinní růstový hormon pro zvýšení rychlosti růstu, účinnosti krmiv a snížení obsahu tělesného tuku. Tyto příznivé výsledky však byly potlačeny sníženou reprodukcí, nemocemi a předčasným úhynem.


Od té doby došlo k revolučnímu pokroku v oblasti biotechnologií živočichů s cílem produkovat transgenní zvířata pro biomedicínské a zemědělské účely. K dispozici jsou nové techniky pro editaci genů jako jsou ZFN, TALEN a CRISPR-Cas9, které umí odstranit nebo vložit gen, resp. modifikovat genom, na specifických místech DNA. 

Transgenní prase
Transgenní prase má ve svém genomu záměrně vložený cizí gen, který je konstruován in vitro za použití technologie rekombinantní DNA a genových editací. Cílem je vytvořit novou nebo zlepšit stávající užitkovou vlastnost (např. intenzivní růst svalové tkáně, vysoká konverze krmiva nebo syntéza proteinu s nutriční aplikací).

Rekombinantní DNA
Tato biotechnologie je základem pro produkci transgenních zvířat (včetně prasat). Vychází z principu vytvoření rekombinantní DNA (rDNA) laboratorními metodami z genetických materiálů dvou nebo více zdrojů (viz schéma 1). Základní strategií technologie rDNA je vložit požadovaný fragment DNA (např. prasečí DNA) do vektorového nosiče (molekuly DNA nebo plazmidu), který je schopen nezávislé replikace v hostitelské buňce (např. E. coli).

Schéma 1. Technologie rekombinantní DNA 

Technologie rDNA má velký význam pro základní výzkum, medicínu a zemědělství. Může být využita k tvorbě bakterií produkujících proteiny, peptidy, vakcíny, aminokyseliny, mastné kyseliny a vitamíny. Náklady jsou nízké a přínosy obrovské. Například dostupnost esenciálních aminokyselin může podstatně snížit obsah bílkovin v krmivu, čímž se sníží vylučování dusíku do životního prostředí. Odhaduje se, že snížení obsahu proteinů v krmivu o 1 % může snížit vylučování celkového dusíku u rostoucích prasat až o 8,5 %. 

Editace genů
V nedávné době byly vyvinuty nové postupy editace genů (či genomu), které používají umělou nukleázu jako molekulární nůžky k vytvoření dvojitého řetězce DNA na požadovaném genomovém lokusu (viz schéma 2). Prvním nástrojem pro přesnou editaci genů byla nukleáza označovaná jako zinkový prst ZFN (z angl. Zinc Finger Nuclease), po ní následovalo objevení návrhářské nukleázy TALEN (z angl. Transcription Activator-Like Effector Nuclease) a v posledních letech získává popularitu systém CRISPR-Cas9 (z angl. Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) jako konstruktivní nukleáza k přesnému střihu DNA v určitém bodě. Systém CRISPR-Cas9 se skládá ze dvou složek (endonukleázy Cas9 a vodící RNA). Experimentálně může být vodící RNA navržena s použitím nástrojů molekulární biologie v laboratoři, aby nasměrovala Cas9 na specifickou sekvenci DNA pro štěpení na prakticky libovolném lokusu genomu. 

Schéma 2. Editace genů.
Nukleáza (ZFN, TALEN nebo CRISPR-Cas9) štěpí molekulu DNA za vzniku dvojvláknového zlomu na požadovaném genomovém lokusu. Poté může jeden ze dvou endogenních opravných mechanismů opravit DNA. Buď jsou dva konce DNA spojeny a ligovány bez homologního templátu pro opravu, což způsobí narušení genu (knock-out). Nebo poskytnutím exogenního templátu DNA spolu s místně specifickou nukleázou pro editaci genomu se opraví DNA, což způsobí zaklapnutí požadované sekvence DNA do genomu buňky (knock-in).


Editace gonomu prasat
Bylo zaznamenáno mnoho úspěchů s genovou úpravou prasat, která mohou potenciálně sloužit jako dárci orgánů, modely onemocnění, bioreaktory, mohou inaktivovat prasečí endogenní retroviry nebo zakládat genetické linie se zvýšenou užitkovostí (např. svalový růst) nebo odolností vůči nemocem. Přehled editovaných genů u prasat je uveden v tabulce.

Transgenní prasata s editovaným genomem
Editovaný gen
Způsob editace
Cílová tkáň
Projev
bovinní růstový hormon
knock-in
tkáně
zvyšuje růst svalové tkáně a účinnost krmiva; 
snižuje obsah tuku v celém těle a koncentraci cholesterolu v krvi
rostlinná desaturáza mastných kyselin
knock-in
bílá tuková tkáň
desaturuje kyselinu olejovou za vzniku kyseliny linolové
desaturáza z hlístice (C. elegans)
knock-in
bílá tuková tkáň
desaturuje kyselinu linolovou  za vzniku omega-3 mastných kyselin
mikrobiální fytáza
knock-in
slinné žlázy
hydrolyzuje fytát rostlinného původu; 
zvyšuje využití fosfátu, minerálů a bílkovin
fytázy a další enzymy 
knock-in
slinné žlázy
hydrolyzuje fytát a komplexní sacharidy rostlinného původu; 
zvyšuje využití fosfátu, minerálů a bílkovin
myostatin
knock-out
kosterní svaly
zvyšuje počet kosterních svalových vláken, kosterní svalovou hmotu, ukládání bílkovin a účinnost krmiva
UCP 1
knock-in
tkáně
zvyšuje termogenezi a přežití selat; 
snižuje narůstání bílé tukové tkáně; 
zvyšuje obsah libových částí jatečně upraveného těla
CD163
knock-out
tkáně
odolnost vůči viru reprodukčního a respiračního syndromu prasat



Fytáza ve slinných žlázách
Slibným výsledkem moderních biotechnologií je produkce transgenních prasat, která exprimují ve svých slinných žlázách fytázu a karbohydrázy na základě izolace genů z bakterií a hub. Transgenní prase může hydrolyzovat fytáty a neškrobové polysacharidy již v ústní dutině a produkovat až o 24 % méně dusíku a o 44 % méně odpadů ve srovnání s běžnými prasaty krmenými stejným krmivem. Potenciálně mohou být prasata, která exprimují rostlinné nebo mikrobiální geny pro syntézu esenciálních aminokyselin, krmena dietou s nízkým obsahem fosforu a proteinů bez nutnosti doplňování stravy fosforem nebo krystalickými aminokyselinami.

Syntéza mastných kyselin
Dalším slibným výsledkem transgeneze je produkce prasat, která syntetizují esenciální mastné kyseliny, jelikož může být sníženo používání rostlinných olejů (např. sójového, slunečnicového a arašídového) a rybích tuků v jejich výživě, což vede ke snížení nákladů na chov prasat.

Vyřazení myostatinu
Pomocí techniky TALEN byla vytvořena prasata s vyřazeným myostatinem (negativní regulátor myogeneze), která mají  dvojitý svalnatý fenotyp, větší tělesnou hmotnost, větší svalovou hmotu a 100 % zvýšení počtu svalových vláken než běžná prasata.

Prasata s editovaným myostatinem na farmě v Kambodži


Funkční gen UCP1
S využitím systému CRISPR-Cas9 byla vytvořena prasata s funkčním genem UCP1. Tento gen se exprimuje v hnědé tukové tkáni a je zodpovědný za termogenezi, čímž hraje klíčovou roli v ochraně před chladem a v regulaci energetické homeostázy. Moderní prasata však postrádají funkční geny UCP1 a jsou proto náchylná ke chladovému stresu. Prasata s editovaným genem UCP1 vykazují zlepšenou schopnost udržovat tělesnou teplotu, sníženou hmotnost špeku a zvýšený výtěžek libové svaloviny.

Vypnutí genu CD163 
Technologie CRISPR-Cas9 a SCNT byly použity k vytvoření prasat bez genu CD163, který kóduje buněčný receptor pro virus reprodukčního a respiračního syndromu prasat. Kanci a  prasnice mohou být použity pro tvorbu chovných populací rezistentních na toto zákeřné onemocnění.

Nedostatky transgeneze
Původní metody transgeneze zvířat (pronukleární injekce a integrující viry) měly velmi nízkou účinnost, docházelo k umlčení genů, špatné regulaci genové exprese a velké variabilitě způsobené náhodnou integrací genů do hostitelského genomu. Významným nedostatkem transgenních živočišných technologií v současnosti je vysoký výskyt úhynů před narozením a před odstavem.  Například v jedné práci bylo vytvořeno 4 008 rekonstruovaných embryí, ze kterých se narodilo pouze 33 živých selat, z nichž 25 bylo pozitivních na transgen. Bohužel jen 9 transgenních selat přežilo do odstavu, což znamená, že účinnost embryonálního vývoje byla nižší než 1 %. 
Tyto problémy, spojené s mimořádně vysokými náklady, musí být překonány, než bude možné používat transgenní prasata ve výrobním zemědělství. V současné době se výzkum transgenních prasat zaměřuje na využití živin, odolnost proti chorobám a biomedicínské aplikace, jako je xenotransplantace orgánů bez hyperakutního odmítnutí.

© 2019

Komentáře

Populární příspěvky z tohoto blogu

Mikroprasátka

Miniaturní plemena prasat

Duroc

INFO PIGS OBSAH