Genredigering har gjort grisar immuna mot en dödlig epidemi

Ett stort projekt pågår för att sjukdomssäkra grisar som använder CRISPR för att ändra sitt DNA. Är folk nästa?

Förbi

• Antonio Regalado arkivsida

11 december 2020

Selman Design

När covid-19 började rasa runt om i världen stängde länder företag och sa åt folk att stanna hemma. Många trodde att det skulle räcka för att stoppa coronaviruset. Om vi ​​hade ägnat mer uppmärksamhet åt grisar hade vi kanske vetat bättre. När det gäller att kontrollera luftburna virus, säger Bill Christianson, tror jag att vi lurar oss själva på hur effektiva vi kan vara.

Christianson är en epidemiolog och veterinär som leder Pig Improvement Company i Hendersonville, Tennessee. Företaget säljer elituppfödningssvin till grisköttsindustrin, som de senaste 34 åren har bekämpat en virussjukdom som kallas porcint reproduktivt och respiratoriskt syndrom PRRS.

Den här historien var en del av vårt januarinummer 2021

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Patogenen orsakar en sjukdom som kallas blått öra, för ett av dess mer synliga symtom; när den först dök upp, på 1980-talet, kallades den helt enkelt mystery swine disease. När en sugga väl är infekterad med PRRS (uttalas spinnande), kan en sugga få missfall eller föda döda, skrumpna smågrisar.

Och jag ska säga ja, det är värre för grisar än vad covid är för oss, säger Christianson.

För att stoppa PRRS, såväl som andra sjukdomar, använder grisuppfödare åtgärder som är bekanta för alla som har undvikit covid-19. Innan du går in i en säker grislada får du ta din temperatur, duscha och byta kläder. Lunchlådor badas i UV-ljus och förråden immas med desinfektionsmedel. Sedan finns det frågeformuläret om din senaste griskontakt – sett något svin på din lediga dag? Har du varit på en landsmässa? (Att svara ja innebär två veckors karantän borta från jobbet.)

Trots försiktighetsåtgärderna kan viruset slinka in. Väl inuti sprider det sig snabbt på nära håll. Snabb avfolkning – d.v.s. avlivning – av djuren är det mest effektiva sättet att bli av med det. Under dåliga år förlorar amerikanska grisuppfödare 600 miljoner dollar till PRRS.

Nu försöker Christiansons företag, som är en division av det brittiska djurgenetikföretaget Genus, något annat. Istället för att försöka stänga av djur från miljön, förändrar det grisarna själva. På en experimentanläggning i centrala USA (platsen som hålls hemlig av säkerhetsskäl) har företaget ett IVF-center för svin och ett labb där grisägg genetiskt redigeras med CRISPR, den revolutionerande gensaxen.

Under en virtuell rundtur bar en arbetare en smartphone genom redigeringslabbet in i dräktighetsområdet, där suggor tillbringar nio månader tills de föder – grisning är bondens sikt. Sedan ledde han vägen till ett betongrum där genredigerade smågrisar grymtade och kikade in i kameran. Enligt företaget är dessa unga grisar immuna mot PRRS eftersom deras kroppar inte längre innehåller den molekylära receptorn som viruset dockar med.

Varje virus attackerar celler genom att smälta samman med dem och injicera sin genetiska last. Med covid-19 fäster viruset sig till en receptor som kallas ACE-2, vilket är vanligt i luftvägs- och lungceller - anledningen till att sjukdomen orsakar problem med andningen. Med PRRS är det så CD163 , en receptor på vita blodkroppar. Dessa experimentgrisar har inte en komplett CD163 gen eftersom en del av den klipptes bort med genredigering. Ingen receptor, ingen infektion.

Jag trodde aldrig att det skulle vara en ljusströmbrytare ... men det verkar fungera på alla typer av grisar och mot alla virusstammar.

Bill Christianson

Enligt företagets opublicerade forskning har försök att infektera de genredigerade grisarna med PRRS inte lyckats. Jag trodde aldrig att det skulle bli en ljusströmbrytare, säger Christianson. Men det verkar fungera på alla typer av grisar och mot alla virusstammar.

Notoriskt har en liknande metod prövats på människor. I en katastrofalt hänsynslös utflykt 2018 redigerade kinesiska forskare mänskliga embryon i hopp om att ge resistens mot HIV, orsaken till AIDS. Dessa forskare drömde också om att stoppa en sjukdom genom att ta bort en receptor. Problemet var att tekniken inte var redo att göra ett så ambitiöst jobb på ett säkert sätt. Även om CRISPR-verktyget är oerhört mångsidigt, saknar det precision, och DNA-operationen skapade något som liknar genetiska ärr hos tvillingarna som föddes från experimentet.

I september sa en internationell panel på hög nivå att ingen borde försöka modifiera bebisar igen förrän det tydligt har fastställts att det är möjligt att effektivt och tillförlitligt göra exakta genomiska förändringar utan oönskade förändringar i mänskliga embryon.

Relaterad berättelse

Vad finns på GMO-menyn: snabbväxande lax och långsamt simmande tonfisk

Ett Massachusetts-baserat bioteknikföretag säger att dess transgena lax är nästan redo för marknaden.

Men med grisar är den genetiska modifieringens era nu, och dess fördelar kan bli synliga snart. Genus hoppas få godkännande för att sälja sina grisar i USA och Kina redan 2025. Redan 2025 är dess experimentstationer hem för hundratals genredigerade grisar och tusentals av deras ättlingar – troligen det största antalet någonstans. ( Läs sidofältet om myndighetsgodkännande av genetiskt modifierade livsmedelsdjur.)

För Raymond Rowland, en forskare vid University of Illinois som var involverad i att skapa de första PRRS-säkra djuren, är genredigering i sin största mening ett sätt att skapa ett mer perfekt liv för grisar och deras djurskötare. Grisen får aldrig viruset. Du behöver inte vaccin; du behöver inget diagnostiskt test. Det tar allt från bordet, säger han.

Elitgrisar

Aldous Huxleys roman Modig ny värld börjar med en rundtur i Central London Hatchery, där barn i ett framtida samhälle produceras genom en provrörsprocess under en skylt där det står GEMENSKAP, IDENTITET, STABILITET. Skyltarna på Genus anläggningar handlar mest om temperaturkontroller och handtvätt, men konceptet är inte så annorlunda. Varje gris är numrerad, övervakad och DNA-testad för sina genetiska egenskaper.

Företaget hanterar djur som valts ut för att vara de friskaste och snabbast växande och att ha de största kullarna. Dessa djur – vad Genus kallar elitbakterieplasma – förökas sedan via avel på multiplikatorgårdar och köps av producenter överallt från Iowa till Peking, som föder upp dem ytterligare.

Företaget har använt DNA-sekvensering i flera år för att identifiera grisar med föredragna egenskaper och för att styra sina avelsprogram. 2015 undertecknade man en exklusiv licens för att genredigera grisar och nötkreatur med hjälp av teknik från Caribou Biosciences, ett företag som startades av Jennifer Doudna från University of California, Berkeley, som i oktober förra året delade ett Nobelpris för utvecklingen av CRISPR.

SELMAN DESIGN

Eftersom grisföretaget inte hade någon erfarenhet av genteknik började man anställa växtbiologer. En av dem är dess vetenskapschef, Elena Rice, en ryskfödd genetiker som tillbringade 18 år på Monsanto och utvecklade mestadels genetiskt modifierade majsväxter för att växa sig större och motstå torka. Växterna var aldrig känslomässiga för mig, säger Rice. Den lilla grisen eller den lilla kon – det är väldigt känslosamt. Du vill krama dem; du vill att de ska vara friska. Det är som att ha ett barn. Du vill inte att de ska vara sjuka.

Genus forskningsstation är inrättad för att utföra redigeringsprocessen snabbt, på många grisar. Suggor bedövas och rullas sedan in i en operationssvit, där veterinärer tar bort ägg från sina äggstockar. Äggen flyttas till labbet, där de befruktas och CRISPR-molekylerna introduceras. Två dagar efter redigering implanteras embryona – då några få celler stora – i surrogatsuggor.

CRISPR är känt för sin förmåga att skära DNA på förutbestämda platser, men i praktiken har tekniken ett slumpmässigt inslag. Rikta det på ett ställe i ett genom och du kommer att ändra det på ett av flera möjliga sätt. Oplanerade förändringar, eller utanför mål, kan också dyka upp långt borta i genomet.

I växter är denna slumpmässighet inte ett sådant problem. En framgångsrik genetisk förändring av ett enda frö (en händelse, som växtingenjörer kallar det) kan ganska snabbt multipliceras till en miljon fler. Hos grisar är det nödvändigt att skapa identiska redigeringar i många djur för att etablera en population av grundsvin för avel.

I experiment på grisceller har genusforskarna försökt många möjliga redigeringar av CD163 genen, letar efter de som inträffar mest förutsägbart. Även med sådana ansträngningar har grisarna som föds rätt redigering endast cirka 20 till 30 % av tiden. De där smågrisarna vars genom har fel hamnar i en komposthög. Jag vill förmedla att denna teknik inte är enkel. Du kan vara bra på den här tekniken eller dålig på den, säger Mark Cigan, en molekylärbiolog med en senior roll i programmet. Vi måste vara rigorösa, för vi vill ha en förutsägbar förändring hos alla grisar. Det måste vara samma förändring varje gång.

Utrota influensa

Även om PRRS är det stora problemet i USA, tror Genus och andra företag att de kan göra grisar immuna mot andra virus också. De undersöker om genredigering kan skapa grisar som inte drabbas av afrikansk svinpest, en sjukdom som frodas i Kina och sedan 2018 har lett till att hälften av landets grisar har förlorats. Forskare som Rowland säger att redigerade grisar också kan ha den indirekta fördelen att de minskar risken för att vissa virus sprids över från grisar till människor.

Ursprunget till covid-19 är fortfarande obestämt, men den rådande teorin är att sjukdomen är zoonotisk, vilket betyder att den hoppade från djur till människor. Eftersom grisar inte fångar det nya coronaviruset, spelade de förmodligen ingen roll i uppkomsten av covid-19. Men grisfarmer är ökända för att starta influensapandemier. Grisar kan få både fågel- och människoinfluensa, förutom svininfluensan. Det gör dem till ett farligt blandningskärl där influensavirus kan byta DNA-sträckor med varandra.

Ett sådant omsortiment av genetiska delar kan plötsligt producera ett nytt influensavirus som sprider sig bland människor, som inte kommer att ha immunitet. 2009 års H1N1-svininfluensa bar viruselement från fåglar, grisar och människor. I USA fanns det cirka 61 miljoner fall: nästan 300 000 människor hamnade på sjukhuset och cirka 12 500 dog. Den dödliga influensapandemin 1918 åtföljdes i USA av en svininfluensa, även om sambandet mellan dem fortfarande är obevisat.

Från och med förra året har Genus betalat en forskare från Kansas State University, Jürgen Richt, för att hjälpa till att designa grisar som är resistenta mot influensa. Richt är inte säker på att han kan göra grisar helt immuna mot de snabbt utvecklande influensavirusen, men han hoppas att han kan bromsa patogenerna, kanske till och med tillräckligt för att sänka oddsen för en ny pandemi. Får man mindre replikering får man mindre mutation, mindre omsortiment, säger han. Slutresultatet är mindre utveckling av viruset.

Eftersom de receptorer som influensa fäster vid är så vanliga i kroppen, kunde inget djur överleva borttagandet, säger Richt. Så projektet syftar istället till att ta bort andra gener, för proteiner som kallas proteaser som influensa – och covid-19 – kräver som hjälpmolekyler för att effektivt komma in i celler. Eftersom det finns många typer av influensa kommer det att bli nödvändigt att ta bort mer än ett proteas, vilket leder till frågan om grisar med för många raderade gener kan trivas. Om en gris är ett Jenga-torn, hur många block kan man ta bort innan djuret faller isär?

Jag vet inte gränsen för att ta ut gener. Det är därför vi gör trial and error, säger Richt. Men vad vi vill är att göra dem resistenta mot alla influensor, från alla samhällsskikt.

Det är ännu inte klart om de PRRS-resistenta grisarna, med endast en receptor borttagen, är friska och annars normala. Cigan säger att företaget tror att de är; forskare kan inte se andra skillnader i sina tester, som mäter saker som hur mycket grisarna äter och går upp i vikt. Men oplanerade förändringar kan vara subtila.

Richt säger att han för ett decennium sedan var inblandad i att göra boskap resistenta mot galna ko-sjukan. Efter att ha tagit bort en gen kände han att de hade förändrats. Sättet de stod upp var roligt – det var svårt att få upp dem igen, säger han. Vaktmästaren sa till mig att de är dumma, så kanske intelligensen påverkades. Med bara ett dussin kor var han aldrig säker, men han misstänker att boskapen förlorade en lyxfunktion - en som inte var avgörande för överlevnad men vars borttagning ledde till en försämring av sensoriska systemet.

Digerdöden

Om genredigering fulländas hos grisar – en art anatomiskt så lik människor att läkarna hoppas kunna transplantera grisnjurar till människor någon gång – vad blir då konsekvenserna för människor? Debatten om mänsklig genetisk modifiering har ofta reducerats till att fråga om det skulle vara moraliskt att ändra ett barns ögonfärg eller intelligens, till exempel. Men griskläckeriet visar att CRISPR kanske kan ge människor medfödda genetiska vacciner mot de värsta infektionssjukdomar de kan stöta på.

Forskarna i Kina som redigerade mänskliga embryon för att motstå hiv drev just en sådan revolutionerande utveckling. Och problemen de stötte på liknade de Genus ansikten: de kunde inte kontrollera de exakta redigeringarna de gjorde och kunde inte vara säkra på att störa en gen (kallas CCR5 ) inte skulle få oväntade konsekvenser. I det experimentet fanns det dock inga andra försök. Dessutom ifrågasatte många om det riskfyllda försöket var medicinskt nödvändigt, eftersom droger kan hålla hiv under kontroll i årtionden.

Om genredigering fulländas hos grisar – en art anatomiskt så lik människor att läkarna hoppas kunna transplantera grisnjurar till människor någon gång – vad blir då konsekvenserna för människor?

Sedan det kinesiska fiaskot har de amerikanska och brittiska vetenskapsakademierna sagt att genredigering, när den är säker nog att använda i mänsklig fortplantning, bör undvika förbättring av något slag och istället ta sig an snävare mål, som att förhindra människor från att passera ärftliga tillstånd som skäran -cellsjukdom hos sina barn.

Ytterligare andra tycker att det är viktigt att behärska tekniken som ett möjligt skydd mot framtida pandemier. Att ta bort en receptor från nästa generationer av människor kan vara civilisationens fallback om samhället drabbas av en supersjukdom som inte kan kontrolleras av vaccin eller droger, och som vi inte utvecklar immunitet för.

Vi som art behöver behålla flexibiliteten, inför framtida hot, att ta kontroll över vår egen ärftlighet, sa George Daley, dekanus vid Harvard Medical School, till en publik i Hong Kong 2018. Han listade motståndet mot globala pandemier som en anledning att utveckla tekniker för att modifiera människor.

Covid-19 visar hur en ny bakterie kan explodera från ingenstans och spridas globalt. Den totala dödsfrekvensen från en infektion med det nya coronaviruset, kanske 0,5 %, hotar inte mänsklighetens existens. Men tänk om nästa pandemi är mer lik den svarta pesten, som dödade en tredjedel eller mer av Europas befolkning under medeltiden? Det är en avlägsen möjlighet, som ett asteroidanfall. Men att kunna konstruera människor för att motstå specifika bakterier kan vara en bakficka-teknik värd att ha.

Vad de vet om djur tror forskare vid Genus att redigera människor är futuristiskt men inte omöjligt. För tjugo år sedan skulle Rice ha sagt att det var ren fiktion. Men nu kan vi faktiskt göra det för djur, säger hon. Vi har verktygen.

Dölj