Genredigering har gjort grise immune over for en dødelig epidemi

Et stort projekt er i gang for at sikre sygdomssikre grise ved hjælp af CRISPR til at ændre deres DNA. Er folk de næste?

Ved

• Antonio Regalado arkiv side

11. december 2020

Selman Design

Da covid-19 begyndte at løbe rundt i verden, lukkede lande forretninger og bad folk blive hjemme. Mange troede, at det ville være nok til at stoppe coronavirus. Hvis vi havde været mere opmærksomme på grise, havde vi måske vidst bedre. Når det kommer til at kontrollere luftbårne vira, siger Bill Christianson, tror jeg, at vi dummer os selv om, hvor effektive vi kan være.

Christianson er en epidemiolog og dyrlæge, der leder Pig Improvement Company i Hendersonville, Tennessee. Virksomheden sælger eliteavlssvin til svinekødsindustrien, som i de sidste 34 år har bekæmpet en virussygdom kaldet porcint reproduktivt og respiratorisk syndrom PRRS.

Denne historie var en del af vores januar 2021-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Patogenet forårsager en sygdom kendt som blåt øre, for et af dets mere synlige symptomer; da den først dukkede op, i 1980'erne, blev den simpelthen kaldt mystisk svinesygdom. Når en so først er inficeret med PRRS (udtalt spinde), er den tilbøjelig til at abortere eller føde døde, skrumpede pattegrise.

Og jeg vil sige ja, det er værre for grise, end covid er for os, siger Christianson.

For at stoppe PRRS, såvel som andre sygdomme, anvender svineavlere foranstaltninger, der er kendt for alle, der har undgået covid-19. Inden du går ind i en sikker svinestald, får du taget din temperatur, gå i bad og skifte tøj. Madkasser bliver badet i UV-lys, og forsyningerne er dugget til med desinfektionsmiddel. Så er der spørgeskemaet om din sidste grisekontakt – har du set nogen svin på din fridag? Har du været på en landsmesse? (At svare ja betyder to ugers karantæne væk fra arbejde.)

På trods af forholdsreglerne kan virussen glide ind. Når den først er inde, spreder den sig hurtigt i de nærmeste omgivelser. Hurtig affolkning - dvs. aflivning - af dyrene er den mest effektive måde at slippe af med det. I dårlige år mister amerikanske svineavlere 600 millioner dollars til PRRS.

Nu prøver Christiansons firma, som er en afdeling af det britiske dyregenetikfirma Genus, noget andet. I stedet for at forsøge at afspærre dyr fra miljøet, ændrer det selve grisene. På et forsøgsanlæg i det centrale USA (stedet holdes hemmeligt af sikkerhedsmæssige årsager) har virksomheden et IVF-center for svin og et laboratorium, hvor svineæg bliver genetisk redigeret ved hjælp af CRISPR, den revolutionære gensaks.

Under en virtuel rundvisning bar en arbejder en smartphone gennem redigeringslaboratoriet ind i drægtighedsområdet, hvor søer tilbringer ni måneder, indtil de føder - faring er landmandens sigt. Derefter førte han vejen til et betonrum, hvor genredigerede pattegrise gryntede og kiggede på kameraet. Ifølge virksomheden er disse unge grise immune over for PRRS, fordi deres kroppe ikke længere indeholder den molekylære receptor, som virussen sætter sig fast med.

Hver virus angriber celler ved at fusionere med dem og injicere sin genetiske last. Med covid-19 binder virussen sig til en receptor kaldet ACE-2, som er almindelig på luftvejs- og lungeceller - grunden til, at sygdommen giver problemer med vejrtrækningen. Med PRRS er det CD163 , en receptor på hvide blodlegemer. Disse forsøgsgrise har ikke en komplet CD163 gen, fordi en del af det blev klippet væk med genredigering. Ingen receptor, ingen infektion.

Jeg troede aldrig, det ville være en lyskontakt … men det ser ud til at virke på alle typer grise og mod alle virusstammer.

Bill Christiansen

Ifølge virksomhedens upublicerede forskning er forsøg på at inficere de genredigerede grise med PRRS ikke lykkedes. Jeg troede aldrig, det ville være en lyskontakt, siger Christianson. Men det ser ud til at virke på alle typer grise og mod alle virusstammer.

Notorisk er en lignende metode blevet prøvet hos mennesker. I en katastrofalt hensynsløs udflugt i 2018 redigerede kinesiske videnskabsmænd menneskelige embryoner i håb om at give resistens mod HIV, årsagen til AIDS. Disse forskere drømte ligeledes om at stoppe en sygdom ved at fjerne en receptor. Problemet var, at teknologien ikke var klar til at udføre et så ambitiøst job sikkert. Selvom CRISPR-værktøjet er uhyre alsidigt, mangler det præcision, og DNA-operationen skabte noget, der ligner genetiske ar hos tvillingerne født fra eksperimentet.

I september sagde et internationalt panel på højt niveau, at ingen skulle prøve at modificere babyer igen, før det er blevet klart fastslået, at det er muligt effektivt og pålideligt at foretage præcise genomiske ændringer uden uønskede ændringer i menneskelige embryoner.

Relateret historie

Hvad er der på GMO-menuen: hurtigtvoksende laks og langsomtsvømmende tun

Et Massachusetts-baseret biotekselskab siger, at dets transgene laks er næsten klar til markedet.

Men med grise er æraen for genetisk modifikation nu, og dens fordele vil måske snart blive synlige. Genus håber at vinde godkendelse til at sælge sine grise i USA og Kina allerede i 2025. Allerede nu er dens forsøgsstationer hjemsted for hundredvis af genredigerede grise og tusindvis af deres efterkommere – sandsynligvis det største antal overalt. ( Læs sidebjælken om regulatorisk godkendelse af GM-fødevaredyr.)

For Raymond Rowland, en forsker ved University of Illinois, som var involveret i at skabe de første PRRS-sikre dyr, er genredigering i sin største betydning en måde at skabe et mere perfekt liv for grise og deres brugere. Grisen får aldrig virus. Du behøver ikke vacciner; du behøver ikke en diagnostisk test. Det tager alt fra bordet, siger han.

Elitesvin

Aldous Huxleys roman Fagre nye verden begynder med en rundvisning i Central London Hatchery, hvor børn i et fremtidigt samfund bliver produceret gennem en reagensglasproces under et skilt, hvor der står FÆLLESSKAB, IDENTITET, STABILITET. Skiltene på Genus’ faciliteter handler mest om temperaturtjek og håndvask, men konceptet er ikke så anderledes. Hver gris er nummereret, overvåget og DNA-testet for dens genetiske kvaliteter.

Firmaet administrerer dyr, der er udvalgt til at være de sundeste og hurtigst voksende og til at have de største kuld. Disse dyr - hvad Genus kalder elitekimplasma - formeres derefter via avl på multiplikatorfarme og købes af producenter overalt fra Iowa til Beijing, som opdrætter dem yderligere.

Virksomheden har brugt DNA-sekventering i flere år til at identificere grise med foretrukne egenskaber og til at styre sine avlsprogrammer. I 2015 underskrev den en eksklusiv licens til at genredigere grise og kvæg ved hjælp af teknologi fra Caribou Biosciences, et firma startet af Jennifer Doudna fra University of California, Berkeley, som i oktober sidste år delte en Nobelpris for udviklingen af ​​CRISPR.

SELMAN DESIGN

Fordi svinevirksomheden ikke havde nogen erfaring med genteknologi, begyndte man at ansætte plantebiologer. En af dem er dens videnskabelige chef, Elena Rice, en russisk-født genetiker, som tilbragte 18 år i Monsanto, hvor hun hovedsagelig udviklede genetisk modificerede majsplanter til at vokse sig større og modstå tørke. Planterne var aldrig følelsesladede for mig, siger Rice. Den lille gris eller lille ko - det er meget følelsesladet. Du vil kramme dem; du vil have dem til at være sunde. Det er som at have et barn. Du ønsker ikke, at de skal være syge.

Genus-forskningsstationen er sat op til at udføre redigeringsprocessen hurtigt på mange grise. Søer bedøves og rulles derefter ind i en operationsstue, hvor dyrlæger fjerner æg fra deres æggestokke. Æggene flyttes til laboratoriet, hvor de befrugtes og CRISPR-molekylerne introduceres. To dage efter redigeringen bliver embryonerne - på det tidspunkt nogle få celler store - implanteret i surrogatsøer.

CRISPR er kendt for sin evne til at skære DNA på forudbestemte steder, men i praksis har teknologien et tilfældigt element. Ret det mod ét sted i et genom, og du vil ændre det på en af ​​flere mulige måder. Uplanlagte ændringer, eller uden for mål, kan også forekomme langt væk i genomet.

I planter er denne tilfældighed ikke sådan et problem. En vellykket genetisk ændring til et enkelt frø (en begivenhed, som planteingeniører kalder det) kan ret hurtigt ganges til en million mere. Hos grise er det nødvendigt at lave identiske redigeringer i mange dyr for at etablere en population af grundsvin til avl.

I forsøg på griseceller har Slægtsforskerne forsøgt mange mulige redigeringer af CD163 gen, der leder efter dem, der forekommer mest forudsigeligt. Selv med en sådan indsats har de grise, der bliver født, kun den rigtige redigering omkring 20 til 30 % af tiden. De smågrise, hvis genom har fejl, ender i en kompostbunke. Jeg vil gerne formidle, at denne teknologi ikke er enkel. Du kan være god til denne teknologi eller dårlig til den, siger Mark Cigan, en molekylærbiolog med en ledende rolle i programmet. Vi skal være strenge, for vi vil have en forudsigelig forandring i alle grisene. Det skal være den samme ændring hver gang.

Udryddelse af influenza

Mens PRRS er det store problem i USA, tror Genus og andre virksomheder, at de også kan gøre grise immune over for andre vira. De undersøger, om genredigering kan skabe grise, der ikke får afrikansk svinepest, en sygdom, der er udbredt i Kina og siden 2018 har ført til tab af halvdelen af ​​landets svin. Forskere som Rowland siger, at redigerede grise også kan have den indirekte fordel ved at mindske chancen for, at visse vira spreder sig fra grise til mennesker.

Oprindelsen af ​​covid-19 er stadig uafklaret, men den fremherskende teori er, at sygdommen er zoonotisk, hvilket betyder, at den sprang fra dyr til mennesker. Da grise ikke fanger den nye coronavirus, har de sandsynligvis ikke spillet nogen rolle i covid-19’s opståen. Men svinefarme er berygtet for at starte influenza-pandemier. Grise kan ud over svineinfluenza fange både fugleinfluenza og mennesker. Det gør dem til et farligt blandekar, hvor influenzavirus kan bytte DNA-strækninger med hinanden.

Sådan et sortiment af genetiske dele kan pludselig producere en ny influenzavirus, der spredes blandt mennesker, som ikke vil have immunitet. 2009 H1N1 svineinfluenzaen bar virale elementer fra fugle, grise og mennesker. I USA var der omkring 61 millioner tilfælde: næsten 300.000 mennesker endte på hospitalet, og omkring 12.500 døde. Den dødelige influenzapandemi i 1918 blev i USA ledsaget af en svineinfluenza, selvom forbindelsen mellem dem forbliver ubevist.

Fra sidste år har Genus betalt en videnskabsmand fra Kansas State University, Jürgen Richt, for at hjælpe med at designe grise, der er resistente over for influenza. Richt er ikke sikker på, at han kan gøre grise helt immune over for de hurtigt udviklende influenzavirus, men han håber, at han kan bremse patogenerne, måske endda nok til at sænke oddsene for endnu en pandemi. Får man mindre replikation, får man mindre mutation, mindre resortiment, siger han. Slutresultatet er mindre udvikling af virussen.

Fordi de receptorer, som influenza binder sig til, er så almindelige i kroppen, kunne intet dyr overleve deres fjernelse, siger Richt. Så projektet sigter i stedet på at fjerne andre gener, for proteiner kaldet proteaser, som influenza - og covid-19 - kræver som hjælpemolekyler for effektivt at trænge ind i celler. Fordi der er mange typer influenza, vil det være nødvendigt at fjerne mere end én protease, hvilket fører til spørgsmålet om, hvorvidt grise med for mange slettede gener kan trives. Hvis en gris er et Jenga-tårn, hvor mange blokke kan man så fjerne, før dyret falder fra hinanden?

Jeg kender ikke grænsen for at tage gener ud. Derfor laver vi trial and error, siger Richt. Men det, vi ønsker, er at gøre dem resistente over for alle influenzaer, fra alle samfundslag.

Det er endnu ikke klart, om de PRRS-resistente grise, med kun én receptor fjernet, er sunde og ellers normale. Cigan siger, at virksomheden tror, ​​de er; forskere kan ikke se andre forskelle i deres test, som måler ting som, hvor meget grisene spiser og tager på i vægt. Men uplanlagte ændringer kan være subtile.

Richt siger, at han for et årti siden var involveret i at gøre kvæg resistente over for kogalskab. Efter at have fjernet et gen, fornemmede han, at de var ændret. Den måde, de rejste sig på, var sjov - det var svært at få dem op igen, siger han. Viceværten fortalte mig, at de er dumme, så måske var intelligensen påvirket. Med kun et dusin køer var han aldrig sikker, men han formoder, at kvæget mistede en luksusfunktion - en, der ikke var afgørende for overlevelse, men hvis fjernelse førte til en nedbrydning af sansesystemet.

Sort pest

Hvis genredigering er perfektioneret hos grise - en art, der anatomisk ligner mennesker så meget, at læger håber at transplantere svinenyrer til mennesker en dag - hvad vil konsekvenserne være for mennesker? Debatten om menneskelig genetisk modifikation er ofte blevet reduceret til at spørge, om det for eksempel ville være moralsk at ændre et barns øjenfarve eller intelligens. Men griseklækkeriet viser, at CRISPR måske kan give folk medfødte genetiske vacciner mod de værste infektionssygdomme, de kan støde på.

De videnskabsmænd i Kina, der redigerede menneskelige embryoner for at modstå HIV, forfulgte netop sådan en revolutionær udvikling. Og de problemer, de løb ind i, lignede disse genus ansigter: de kunne ikke kontrollere de nøjagtige redigeringer, de foretog og kunne ikke være sikre på, at forstyrre ét gen (kaldet CCR5 ) ville ikke have uventede konsekvenser. I det eksperiment var der dog ingen andre forsøg. Derudover stillede mange spørgsmålstegn ved, om det risikable forsøg var medicinsk nødvendigt, da stoffer kan holde hiv under kontrol i årtier.

Hvis genredigering er perfektioneret hos grise - en art, der anatomisk ligner mennesker så meget, at læger håber at transplantere svinenyrer til mennesker en dag - hvad vil konsekvenserne være for mennesker?

Siden den kinesiske fiasko har de amerikanske og britiske videnskabsakademier sagt, at genredigering, når det er sikkert nok at bruge i menneskelig reproduktion, bør undgå forbedring af enhver art og i stedet tage snævrere mål, såsom at forhindre folk i at bestå arvelige tilstande som segl -cellesygdom hos deres børn.

Endnu andre mener, at det er vigtigt at mestre teknologien som et muligt værn mod fremtidige pandemier. At fjerne en receptor fra de næste generationer af mennesker kan være civilisationens tilbageslag, hvis samfundet rammes af en supersygdom, der ikke kan kontrolleres af vacciner eller lægemidler, og som vi ikke udvikler immunitet mod.

Vi som art er nødt til at bevare fleksibiliteten over for fremtidige trusler til at tage kontrol over vores egen arv, sagde George Daley, dekanen for Harvard Medical School, til et publikum i Hong Kong i 2018. Han opremsede modstand mod globale pandemier som en grund til at udvikle teknikker til at modificere mennesker.

Covid-19 viser, hvordan en ny kim kan eksplodere ud af ingenting og spredes globalt. Den samlede dødsrate fra en infektion med den nye coronavirus, måske 0,5%, truer ikke menneskehedens eksistens. Men hvad nu hvis den næste pandemi mere ligner den sorte pest, der dræbte en tredjedel eller flere af befolkningen i Europa i middelalderen? Det er en fjern mulighed, som et asteroideangreb. Men at være i stand til at konstruere mennesker til at modstå specifikke bakterier kan være en baglommeteknologi, der er værd at have.

Ud fra hvad de ved om dyr, mener videnskabsmænd ved Genus at redigere mennesker er futuristisk, men ikke umuligt. For tyve år siden ville Rice have sagt, at det var ren fiktion. Men nu kan vi faktisk gøre det for dyr, siger hun. Vi har værktøjerne.

skjule