Ферма будущего

 В рамках 63-й Международной научной студенческой конференции, которая проходила в НГУ во второй половине апреля, кандидат биологических наук, заведующий лабораторией генетики развития Института цитологии и генетики СО РАН (ИЦиГ СО РАН), доцент кафедры цитологии и генетики Факультета естественных наук Новосибирского государственного университета Нариман Баттулин выступил с научно-популярной лекцией «Ферма будущего: как генетические технологии меняют животных». Ученый в доступной форме рассказал участникам конференции о том, как генетики могут воздействовать на геном сельскохозяйственных животных.

Как прочесть геном?

Генетик читает генетические тексты (геномы), как все мы читаем книги или посты в Интернете. Только букв в ДНК всего 4 — А, Т, Г, Ц, зато в одной строке генома человека содержится 3 миллиарда букв. В этих текстах прописаны все характеристики и особенности живых организмов, вплоть до цвета глаз и восприятия холода. Ученые-генетики с большим интересом изучают эти тексты и пытаются расшифровать.

— Управляющий участок ДНК включает и выключает определенные гены в нужном органе в нужное время на нужной стадии развития. Если мы научимся понимать «генетические тексты», у нас появится возможность управлять свойствами организмов. Замена всего одной буквы может привести к кардинальным изменениям. Например, «превратить» карие глаза в голубые. Естественно, это будоражит воображение ученых, потому что открывает перед ними огромные возможности. Зная «тексты» ДНК, можно решать многие задачи в различных областях. Самая простая — криминалистика: если злоумышленник оставил на месте преступления свою ДНК, можно прочесть ее и восстановить определенные свойства его организма и даже некоторые детали внешнего облика. Задача посложнее — генная модификация. Если мы научимся модифицировать ДНК, то сумеем искусственно задавать нужные нам свойства организма. Для этого нужно решить большую интересную задачу — научиться находить те участки ДНК, которые отвечают за формирование какого-либо определенного признака, — объяснил Нариман Баттулин.

Ученый рассказал, что генетики узнают, какие буквы в «тексте» ДНК отвечают за те или иные свойства организма с помощью полногеномного анализа ассоциаций (GWAS), который помогает ученым идентифицировать гены, связанные с определенным заболеванием (или другим признаком). Этот метод изучает весь набор ДНК (геном) большой группы людей, выявляя небольшие вариации, называемые однонуклеотидными полиморфизмами или SNP. В его основе находится статистическая процедура, определяющая значимость различия того или иного SNP между группами людей с признаком и без. Таким образом можно выявить участки генома, отвечающие за цвет глаз или структуру волос, когнитивные способности и особенности психики. Вплоть до генов, ответственных за наличие у человека чувства музыкального ритма или чувства юмора, а также за оценки, которые он получает на занятиях, или уровень дохода, которого ему удастся достичь. Благодаря таким исследованиям генетики в случае обнаружения у человека какой-либо патологии или особенности организма, могут определить, на каком именно участке генома произошла «поломка» гена.

Больше мышц!

В животноводстве аналогичные исследования направлены на выявление генов, ответственных за хозяйственно ценные признаки животных — например, мышечную массу у КРС, свиней и овец или яйценоскость у птиц. Генетики научились определять участки генома, позволяющие коровам давать рекордные надои молока, что произвело революцию в сельском хозяйстве, потому что с тех пор, как начали применять этот подход для определения лучших животных-производителей молока или мяса, был отмечен значительный рост производительности сельского хозяйства. Данному подходу не больше 10 лет, но достигнутые за это время результаты позволяют с оптимизмом смотреть в будущее и уверенно прогнозировать и дальнейший рост производительности в животноводческой отрасли.

Есть и другой подход: генетики ищут участки генома, ответственные за какие-либо патологические признаки организма, исследуя геномы животных с уродствами. «Поломки» генов могут привести к самым странным изменениям фенотипа организмов. Изменения эти — отличный источник информации для поисков участков ДНК, ответственных за их развитие.

Нариман Баттулин в качестве примера упомянул коров породы Бельгийская голубая.  Ее характерная особенность — гипертрофированные рельефные мышцы. Кажется, именно так должен выглядеть продукт генной инженерии, но нет. Причиной тому стали не эксперименты генетиков, а случайная мутация в одном гене, которая увеличила рост мышц. Произошла она довольно давно, но была закреплена селекционерами методом отбора особей с повышенной мышечной массой как хозяйственно ценным признаком. Потом выяснилось, что начальная мутация произошла в результате «поломки» всего одного гена — миостатина, который препятствует закладке избыточного количества мышечных клеток. Если этот ген нокаутировать, росту мышц уже ничто не препятствует и их объем увеличивается вдвое по сравнению с нормой. И ученые быстро научились этим пользоваться.

Есть еще один эффективный способ вмешательства в геном живых организмов. Поскольку все они являются дальними родственниками и имеют общего предка, то и общие гены у них тоже есть. Если найден «сломанный» ген миостатина у коров, это может свидетельствовать о том, что аналогичный ген есть и у других животных, и, скорее всего, в их организмах он отвечает за тот же самый признак или свойство.

В научной литературе описан всего один пример «поломки» гена, препятствующего чрезмерному росту мышц у человека, — того же самого, что у коров породы Бельгийская голубая. Это мальчик, родившийся с нокаутом гена миостатина. У младенца было вдвое больше мышечной ткани, чем у его сверстников.

— Казалось бы, вот она, альтернатива изматывающим тренировкам в спортзалах: достаточно блокировать миостатин, и рельефные мускулы обеспечены с самого рождения и без всякого труда. Но у этой медали есть и оборотная сторона. Вдвое увеличиваются все мышцы, и даже те, увеличение которых напрямую влияет на качество жизни и здоровье. К примеру, язык, который тоже является мышцей.

Сложность таких модификаций состоит в том, что каждый ген влияет сразу на множество признаков. С одной стороны, нокаут миостатина увеличивает рост мышц, с другой — создает проблемы с питанием ввиду увеличенного вдвое языка, с третьей — столь массивные животные с таким большим объемом мышц не могут рождаться естественным путем. Например, та же порода коров Бельгийская голубая. Почти всегда телята этой породы рождаются путем кесарева сечения. Поэтому, прежде чем создавать таких животных с применением генетических технологий, следует задуматься: будет ли это экономически оправданно и стоит ли селить их на ферме будущего? Да, мяса они дадут значительно больше, но сколько потребуется ветеринарных врачей, если производство мяса таких коров будет поставлено на поток? Ведь рождение каждого теленка будет сопровождаться хирургической операцией, — рассказал Нариман Баттулин.

В итоге получается, что экономический эффект от одной мутации на самом деле не такой внушительный из-за дополнительных расходов на изменение технологии содержания животных с нокаутированным геном. Такие ситуации генные инженеры всегда должны продумывать. «Улучшение» одного признака может повлечь проблемы со стороны другого. И найти баланс, чтобы желаемые генетические варианты были бы продуктивны и экономически эффективны, очень непросто. К тому же, их, как показывает практика, очень мало.

«Генетические ножницы»

— С точки зрения фундаментальной биологии, если мы хотим узнать, как работают гены, необходимо исследовать этот механизм на животных, у которых мутация произошла случайно. Но для лучшего понимания данного механизма нам необходимо самим воспроизвести его, перенеся этот генетический вариант на другой организм, и посмотреть, что получится. У генетиков есть несколько инструментов для выполнения данной задачи. Самый популярный — инструмент геномного редактирования CRISPR/Cas9. Он основан на элементе защитной системы бактерий, который биологи приспособили для внесения изменений в ДНК растений, животных и людей. Заключается в использовании короткой РНК, которая направляет CRISPR/Cas9 к нужному участку в геноме. После прикрепления к целевой ДНК, CRISPR/Cas9 разрезает две цепи ДНК, позволяя ученым либо деактивировать ген, либо вставить новый участок ДНК на место разреза. Уже одного разрыва достаточно, чтобы «сломать» ген и внести изменения в ДНК. По сути, этот инструмент геномного редактирования представляет собой биологическую молекулу, способную найти в геноме нужное место для «удара». Это очень важно, потому что геном человека, как и геном коровы и других млекопитающих, состоит из 3 миллиардов нуклеотидов, и найти нужный не так-то легко. Инструменты геномного редактирования позволяют нам это сделать, — пояснил Нариман Баттулин.  

С помощью этих инструментов можно самые популярные генетические варианты переносить от одних видов животных другим. Например, в геноме тех же коров породы Бельгийская голубая присутствует нокаут гена миостатина, а у коров других пород его нет. Привнести это генетическое изменение скрещиванием можно, но это займет слишком много времени. А вот с помощью инструментов геномного редактирования прямо в ДНК мясных пород ввести нужный генетический вариант — вполне. И такие телята уже были получены.

В одной из научных статей на эту тему «Эффективное внесение мутаций с помощью CRISPR/Cas9 в геном поросят», которая была опубликована в научном журнале Scientific Reports, рассказывается, что авторы получили 8 поросят с нокаутом гена миостатина. И действительно, мышцы у них были по размеру вдвое больше, чем у обычных поросят. Вот только все модифицированные животные умерли в течение недели. Но почему редактирование генома, которое успешно проводится на коровах, дало сбой на свиньях?

— Все дело в том, что каждый ген влияет не на какую-либо одну функцию, а на несколько сразу. Так, в геномах коровы породы Бельгийская голубая содержатся другие генетические варианты, которые компенсируют негативное влияние нокаута миостатина на организм, у свиней же таких вариантов нет. Поэтому генетикам важно помнить, что результаты переноса одного генетического варианта на другой генетический фон могут быть непредсказуемыми и нежелательными, что и произошло в случае с поросятами, в геноме которых был нокаутирован ген миостатина. Но иногда результаты оказываются положительными. Благополучно перенесли нокаут гена миостатина ягнята — их мышечная масса увеличилась, но, в отличие от поросят, они оказались жизнеспособными. Удачно блокировали этот ген у рыб. В Японии этой манипуляции подвергли морского леща, после чего мышечная масса этого вида увеличилась на 17%. Эксперименты по «наращиванию» мышц у этих рыб продолжаются, предпринимаются попытки вывести генно-улучшенного морского леща на рынок. А вот генетически модифицированный лосось уже вышел на американский рынок. Правда, на это предприятию, реализующему такой смелый проект, потребовалось 30 лет работы и 100 миллионов долларов вложений. Если обычный лосось в возрасте 18 месяцев достигает 33 см в длину и весит 1,3 кг, тогда как его трансгенный сородич длиннее вдвое и достигает веса 3 кг, — рассказал Нариман Баттулин.  

Кстати, на ферме будущего вполне найдется место и аквакультуре, которая в настоящее время становится важным элементом сельского хозяйства. Большая часть рыбы, поступающей на наш стол, не выловлена из естественных условий обитания, а выращена на рыбохозяйственных предприятиях.

Полезные мутации

С помощью генной инженерии ученые могут вносить в геном животных различные полезные изменения. Например, лишить КРС рогов, что позволит избежать многих проблем, а именно — травмирования других животных или работников фермы.

— Существуют генетические варианты естественных мутаций, полученные у комолых (безрогих) коров. Вычислив гены, ответственные за такую полезную мутацию, можно искусственно отредактировать геном коров других пород, и на свет будут появляться телята, полностью соответствующие своей породе за одним только исключением — рога у них не вырастут. При этом другие особенности и преимущества породы остаются неизменными. Такие телята уже были получены. В норме для животных их породы характерны длинные рога, но у генно-измененных коров этой породы их нет, — уточнил Нариман Баттулин.  

Путем геномного редактирования можно «приспособить» коров к изменению климата. Например, к потеплению. Существуют генетические варианты, позволяющие повышать их температурную адаптацию, то есть устойчивость к тепловому стрессу. Например, если ввести соответствующую мутацию в геном коров породы ангус, «сломав» всего один ген, шкура генно-измененного животного становится чуть тоньше, а шерсть — реже, что на 0,3-0,5 градуса снижает температуру тела в тепловом стрессе. Поэтому несмотря на то, что абсолютные цифры небольшие, с точки зрения биологической системы это очень значительное изменение.

Аналогичным способом можно создать и холодоустойчивых животных. При выполнении этой задачи генетики ищут вдохновение в якутских породах скота, которым нипочем даже самые суровые морозы. Они могут зимовать на открытой местности, так что строить теплые коровники не требуется. А причина такой невосприимчивости к холодам кроется, конечно, в их геноме. Ученые выявили тот самый генетический вариант, влияющий на холодоустойчивость якутских пород скота. Этот же генетический вариант обнаруживается у глубоко ныряющих животных, а также у млекопитающих, способных впадать в глубокую спячку или значительно изменять температуру собственного тела.

— Прежде чем реально воспроизводить эти генетические варианты у других пород, очень важно попробовать понять, каким механизмом реализуется данные процессы. Поэтому в Институте цитологии и генетики СО РАН мы создали модифицированных мышей, у которых воспроизвели генетический вариант якутских коров. Теперь пытаемся понять, как эти мыши чувствуют себя в условиях низких температур. Наблюдаем за изменением частоты сердечных сокращений у эмбрионов мыши в зависимости от снижения температуры окружающей среды. И есть надежда, что очень скоро мы поймем, как этот механизм работает, и сможем создать холодоустойчивых мышей. Но желательно, чтобы на ферме будущего их не было, — сказал ученый.

Самое впечатляющее, по мнению Наримана Баттулина, что может быть на ферме будущего, — это свиньи, которые станут донорами органов для человека. К сожалению, у человечества нет возможности обеспечить донорскими органами всех нуждающихся. Альтернативой обычным донорам могут стать генно-модифицированные животные, органы которых можно будет пересаживать человеку. По многим параметрам единственный вид, который может быть использован в этих целях, — свинья. В последние годы в этой области был достигнут значительный прогресс. В мире известны случаи успешной ксенотрансплантации почки от трансгенной свиньи человеку. Однако после нее немногочисленные пациенты жили совсем недолго. Рекордсменом стал прооперированный в США в январе этого года мужчина. Он живет с такой почкой уже четыре месяца.

— Самые сложные генетические изменения, которые производились на животных, были сделаны на свиньях в целях последующей ксенотрансплантации. В данном случае необходимо внести в геном десятки модификаций, «сломать» гены, производящие белки, которые наша иммунная система воспринимает как чужеродные. Кроме того, надо совместить иммунные системы и системы свертывания крови человека и свиньи. И подобных модификаций необходимо сделать много — чем больше, тем успешнее будет процедура ксенотрансплантации. Решением этой задачи занимаются генетики всего мира, в том числе ученые новосибирского Академгородка, — отметил лектор.