Vědci dnesupravují dědičnou informaci zvířat tak, aby vyhovovala potřebám zemědělců. Průlomové experimenty na poli genového inženýrství však provázejí nečekané komplikace.
Býček Cosmo se narodil 7. dubna 2020 na školní farmě Kalifornské univerzity v americkém Davisu. Bioložka Alison Van Eenennaamová ho pojmenovala podle zelenovlasé postavičky Cosma z animovaného televizního seriálu Kouzelní kmotříčci. Býček Cosmo nese v každé buňce těla gen GFP z mořské medúzy a vyrábí podle něj zeleně fluoreskující bílkovinu. Je to doklad, že byl geneticky modifikován. Její molekuly však svítí jen ve speciálním mikroskopu, a „zelené dědictví“ proto není na teleti patrné. Lidskému oku se Cosmo jeví černý jako uhel. Přesně tak, jak se na tele plemene angus sluší a patří.
V dědičné informaci býka se skrývá ještě jedna přidaná vloha. Díky ní by měli v jeho potomstvu ze tří čtvrtin převládat synové. Tenhle zásah do DNA má ryze ekonomickou motivaci.
Býci jsou od přírody obdařeni většími svaly a naroste na nich více hovězího. Na porážce býčka proto americký farmář vydělá o 15 procent víc, než když pošle na jatka jalovici. Přesto si na steacích či hamburgerech z Cosmových potomků nikdo nepochutná. Zvíře přišlo na svět v rámci projektu, který u skotu ověřoval bezpečnost metod genového inženýrství, souhrnně označovaných jako editace genomu. Cosmo je však živým důkazem jejich nespolehlivosti.
Jak se přepisuje genom
Technika CRISPR-Cas9 slouží genovým inženýrům už osm let ke dvěma typům editace genomu: první postup se tak trochu podobá psaní na počítači s využitím příkazů „najít“ a „vyjmout“. I ve velmi dlouhém textu najde počítač zvolené slovní spojení a následně z něj vymaže určenou část. Technika CRISPR-Cas9 dokáže s třemi miliardami písmen genetického kódu tvořících savčí dědičnou informaci totéž. Vyhledá předem určený úsek DNA a přestřihne v tomto místě dvojitou šroubovici molekulárními nůžkami. Buňky začnou „díru“ okamžitě spravovat. Obvykle se přitom dopustí chyby, a tím okolní informaci znehodnotí. Asi jako kdyby ze slovního spojení „zralá jahoda“ zmizelo šest prostředních písmen a zbyla z něj „zrada“. Vědci tak mohou zničit předem vybraný gen. To nemusí mít pro nositele vždycky fatální následky. Někdy mu defekt dokonce zajistí určitou výhodu. Například lidé narození s genem CCR5, z něhož vypadlo dvaatřicet písmen genetického kódu, jsou odolní vůči infekci virem HIV1. Skot plemene belgické modré vděčí za enormní růst svalů výpadku jedenácti „písmenek“ z genu MSTN.
Destrukci genů pomocí CRISPR-Cas9 zvládají vědci celkem dobře. Na potíže narážejí při zákrocích, které při psaní na počítači odpovídají akcím po příkazech „najít“ a „vložit“ nebo „najít“ a „nahradit“. První část postupu je obdobná jako při blokování genů. Na přesně zvoleném místě se přestřihne dvojitá šroubovice DNA a tím se spustí oprava. K ní dostanou buňky od vědců „záplatu“ z předem připravené DNA. Při opravě je pak do „díry“ v dědičné informaci vložen zcela nový úsek DNA. Tak lze do genomu zvířete vnést cizí gen. Jindy je střih do DNA veden v místě, kde leží gen zvířete, a jako „záplatu“ použijí vědci jinou variantu cílového genu. Podstrčená varianta genu nahradí v dědičné informaci jeho původní verzi.
Zrádná záměna genů
Záměnou různých variant téhož genu mohou genoví inženýři dosáhnout podobných výsledků, jako když chovatelé kříží zvířata nesoucí různé vlohy v naději, že potomek zdědí od každého z rodičů to lepší.
Po dlouhá desetiletí lákal americké farmáře chov bezrohého holštýnského skotu. Ve srovnání s chovem rohatých býků a krav by ubylo zranění mezi zvířaty a kleslo by riziko úrazu u ošetřovatelů. Bohužel skot s genem pro bezrohost nepatří z hlediska produkce mléka ke špičce. Při pokusech o křížení vysoce výkonného rohatého skotu s méně výkonným bezrohým dědilo potomstvo nejen gen pro bezrohost, ale i vlohy pro nízkou produkci mléka.
Chovatelé proto dávají přednost výkonnějšímu rohatému skotu a malým telatům zárodky budoucích rohů ničí vypálením. Je to pracné a zvířata přitom trpí. Americká biotechnologická firma Recombinetics využila metody genového inženýrství a zaměnila v dědičné informaci špičkových jedinců holštýnského skotu „rohatou“ variantu genu za jeho „bezrohou“ verzi, jako kdyby měnili ve stroji vadnou součástku za funkční.
V Recombinetics vkládali do bezrohého holštýnského skotu velké naděje právě proto, že editace genomu měla přinést stejný výsledek jako dlouhodobé šlechtění. Bohužel nepřinesla.
Pro výrobu „záplaty“ s genem pro bezrohost použili vědci běžné laboratorní bakterie. Předpokládali, že buňky skotu si z dodané DNA osvojí pouze tu část, která má v genomu skotu obdobu, a bakteriální „přívěsek“ odmítnou. V tom se však přepočítali. Narozený skot nese v dědičné informaci kromě „bezrohého“ genu také kousek DNA z bakterie. Z hlediska legislativy je skot s takovou cizorodou DNA geneticky modifikovaným organismem a jeho chov na farmách podléhá komplikovanému schvalovacímu procesu.
Samčí gen navíc
Před pěti lety udělilo americké ministerstvo zemědělství Alison Van Eenennaamové grant ve výši půl milionu dolarů, aby prověřila, zda dochází k nežádoucím změnám dědičné informace skotu nejen při záměně variant téhož genu, ale také při vnášení nových genů. Bioložka sáhla po genu SRY, jenž řídí u savců vývoj samčího pohlaví.
U skotu stejně jako u jiných savců určují pohlaví pohlavní chromozomy X a Y. Otec může ve spermii předat potomkovi buď samčí chromozom Y, na němž se nachází i gen SRY, anebo chromozom X, kde tento gen chybí. Matka předává ve vajíčku potomkům pouze samičí chromozom X. Dcery tak dostávají od rodičů do vínku dva samičí chromozomy X, synové získají pohlavní chromozomy X a Y. O pohlaví potomka tedy „rozhoduje“ otec. A protože šance na předání chromozomu X a Y jsou vyrovnané, tvoří potomky z poloviny dcery a z poloviny synové.
Alison Van Eenennaamová zacílila molekulární nůžky CRISPR-Cas9 na sedmnáctý z třiceti párů chromozomů tvořících kompletní dědičnou informaci skotu. Jako „záplatu“ nabídla DNA obsahující gen SRY pro vývoj samčího pohlaví a gen GFP pro zeleně fluoreskující bílkovinu.
Zatímco vědci z Recombinetics provedli úpravu dědičné informace na kožních buňkách skotu pěstovaných v laboratoři a následně z nich nositele zaměněných genů naklonovali, Van Eenennaamová zvolila ambicióznější přístup. Vnášela geny přímo do vajíčka krav oplozených býčí spermií. Jenže nic nešlo, jak mělo. Projekt se chýlil ke konci a na světě nebylo jediné tele s editovaným genomem.
Ve finálním experimentu použili vědci dvě stovky oplozených vajíček, v kterých „přestřihli“ chromozom 17. Vyvíjejícím se embryím nabídli k opravě chromozomu „záplatu“ s geny SRY a GFP. Jen každý desátý zárodek se zdárně vyvíjel a jen u devíti prozrazovala zelená záře úspěšný zásah do genomu. Po přenosu svítících embryí náhradním matkám se narodilo jediné tele.
Genetické testy potvrdily, že býček Cosmo zdědil pohlavní chromozomy X a Y, a byl by to tedy „kluk“ i bez zásahu genových inženýrů. Polovině svých potomků předá chromozom Y s „přírodním“ genem SRY a z těch se narodí býčci. Na chromozomu 17 však nese Cosmo další kopii tohoto „samčího“ genu. Polovina potomků, kterým předá chromozom X a kteří by se narodili jako dcery, zdědí chromozom 17 s umělou „vsuvkou“ genu SRY. I tato zvířata by se měla nakonec vyvíjet jako synové. Vědci předpokládají, že Cosmovo potomstvo budou tvořit ze 75 procent býčci a z 25 procent jalovičky. To se však ukáže, teprve až Cosmo dospěje a zplodí telata.
Nežádoucí změny DNA
Už teď je ale jasné, že úplně všechno nevyšlo podle předpokladů. Genetické analýzy Cosmových buněk odhalily, že i v tomto případě došlo k nežádoucím změnám dědičné informace. Molekulární genetik Joseph Owen si dával při výrobě „záplaty“ velký pozor, přesto nezabránil tomu, aby se do Cosmovy dědičné informace nedostaly úseky pocházející z bakterií použitých pro množení genů. Dobře nedopadlo ani samotné vnášení genů. Devět z deseti Cosmových buněk má gen SRY v dědičné informaci zabudován v sedmi kopiích. Z toho tři kopie jsou v DNA uloženy převráceně, jako kdyby v nich nebylo napsáno SRY, ale YRS.
Gaétan Burgio, který se zabývá editací genomu laboratorních zvířat na canberrské Australské národní univerzitě, označil v rozhovoru pro časopis Wired výsledky týmu Alison Van Eenennaamové za „celkem nepřekvapivé“.
„U myší se s tím potkáváme dost často. Při vnášení genů pomocí CRISPR-Cas 9 je to někdy hotová noční můra,“ řekl Burgio. „Základní závěr z podobných experimentů lze shrnout do konstatování, že dosud nemáme pro editaci genomu ideální nástroje. Dokážeme editovat genom zvířat s dostatečně vysokou účinností, ale zatím nejsme moc dobří v perfektním a bezpečném provedení. Myslím, že se k tomu dopracujeme. Ale čeká nás ještě hodně práce.“
Autor je biolog, profesor České zemědělské univerzity, pracuje ve Výzkumném ústavu živočišné výroby v Praze
LN, 15.8.2020