Британські науковці показали, що інструмент редагування геному CRISPR-Cas9 можна пристосувати до контролю за статтю потомства тварин: за бажанням розводити особин лише чоловічої або лише жіночої статі, збільшивши при цьому частку осіб бажаної статі. Метод полягає у розділенні елементів системи CRISPR-Cas9 по геномах материнського та батьківського організмів, поєднання яких в ембріонах доньок або синів призведе до їхньої загибелі ще до імплантації в матку. Стаття з описом технології оприлюднена в журналі Nature Communications.
PetMD
Навіщо нам вирощувати тварин однієї статі?
Тварини та тваринні продукти використовуються у всьому світі у величезних кількостях і з різних причин. Одними з основних сфер, які покладаються на розведення тварин, є наукові дослідження та сільське господарство. Окрім масштабів, спільною для них є вибірковість стосовно статі тварин. У більшості наукових досліджень, прагнучи зменшити кількість варіацій між піддослідними, вчені використовують тварин однієї статі. А вивчення багатьох хвороб та фізіологічних процесів, як-от рак простати чи грудей, формування яйцеклітин та сперматозоїдів, можливо здійснити лише на конкретно на самцях або самках.
У тваринництві зазвичай найбільшу цінність мають жіночі особини. Так, у рогатої худоби самки дають молоко, м'ясо та беруть участь у розмноженні, тоді як самці слугують лише для розведення та іноді м'яса. При вирощуванні свиней роль самців ще менша: оскільки після настання статевої зрілості їхнє м'ясо набуває неприємного запаху, то їх необхідно або каструвати, або вбити до пубертатного віку, що має етичні й економічні наслідки. Аналогічно, при вирощуванні курей самці, які не несуть яйця, потрібні далеко не у таких кількостях, у яких вони з'являються.
Проблему з надлишком окремої статі зараз вирішують переважно не надто етично та вигідно — знищенням зайвих особин. Приміром, у світі щороку вбивають 6-7 мільярдів одноденних півників. Доцільніше було б вирощувати тварин із бажаним перекосом у статі. Такі способи є, але вони не завжди мають високу ефективність, а крім цього впливають на фертильність або суттєво зменшують кількість потомства. Допомогти може редагування геному. З допомогою інструменту молекулярних ножиць CRISPR-Cas9 вчені можуть спричиняти загибель ембріонів чоловічої або жіночої статі, наприклад, у комарів, мух чи шовкопрядів. Але поки що технологія недостатньо вивчена для застосування у ссавців, що спонукало науковців Інституту Френсіса Кріка та Кентського університету зайнятися дослідженням.
Як підлаштовували CRISPR-Cas9 до контролю статі ссавців?
Система редагування геному CRISPR-Cas9 складається із двох основних елементів: ферменту Cas9, який здатний розрізати ДНК, та направляючої РНК, яка вказує йому, у якому саме місці потрібно здійснити розріз. Щоб система діяла вибірково щодо статі, вчені вирішили помістити ген одного елемента в геном материнської особини, а ген іншого — до Х або Y хромосоми чоловічої. Таким чином її дія проявиться лише при об'єднанні направляючої РНК та ферменту в одному організмі, а носійство лише одного елемента не матиме негативних наслідків.
Але інструмент потрібно націлити на важливий ген, порушення якого спричинить загибель ембріона окремої статі на якомога більш ранньому етапі. Вчені хотіли, щоб це відбувалося на стадії кількох клітин, ще до імплантації зародка в стінку матки. Вони націлили молекулярні ножиці на ген TOP 1, який кодує необхідний для нормальної реплікації та репарації ДНК фермент, а пошкодження якого призводить до смерті ембріонів у мишей на стадії 4-16 клітин. Випробування технології провели на генномодифікованих лабораторних мишах.
Як спрацювало генетичне редагування?
Спочатку вчені з'ясовували, чи можуть вони спричинити загибель жіночих ембріонів. Для цього вони схрестили самок, автосома (не статева хромосома) яких містила ген направляючої РНК, із самцями, чиї Х хромосоми мали ген білка Cas9. Оскільки у ссавців жіноча стать визначається набором статевих хромосом XX, то об'єднання двох елементів системи CRISPR-Cas9 (по одному з автосоми від матері та Х хромосоми від батька) у доньок мало би призвести до їх нежиттєздатності. Підхід виявився вкрай успішним: у 36 виводках, у яких сумарно народилося 130 дитинчат, не було жодної самки.
В іншому експерименті дослідники схрестили самок, що мали ген направляючої РНК, із самцями, у яких ген Cas9 містився вже на Y хромосомі. У такому разі доньки, у яких набір XX і немає Y хромосоми, успадковували від матерів ген направляючої РНК, але не отримували від батька ген Cas9, і виживали. Тоді як в геномі ембріонів самців, які мають набір ХY, поєднувалися обидва елементи системи CRISPR, і вони гинули. Із 36 виводків, у яких народилося 120 дитинчат, не було жодного самця.
Цікаво, що всупереч очікуванням отримати зниження числа потомства у тварин на 50 відсотків, вчені спостерігали збереження його на рівні 61-72 відсотки від показника контрольних тварин. Тобто дитинчат однієї статі народжується навіть більше, ніж зазвичай. Ймовірно, через загальне зменшення кількості ембріонів ті, що не мають летальної комбінації трансгенів, мають вищі шанси вижити й імплантуватися.
Таким чином, вчені представили технологію контролю за статтю потомства, який має 100-відсоткову ефективність у мишей і при цьому не має негативного впливу на плодючість батьків або здоров'я дитинчат. Оскільки ген TOP 1 консервативний у ссавців, подібний спосіб генетичного контролю можна буде застосувати й щодо інших тварин, зокрема свиней та рогатої худоби. Окрім цього, хоча стать у птахів визначається іншим чином, автори описують у статті метод пристосування їхньої технології до регуляції кількості самців у птахівництві. Вони сподіваються, що завдяки результатам їхньої праці вдасться зменшити кількість зайвих жертв у науці та тваринництві. Утім, сільському господарству спершу доведеться побороти неприязнь до генної модифікації.