Всероссийский научно-исследовательский институт физиологии, биохимии и питания животных – филиал Федерального государственного бюджетного научного учреждения «Федеральный научный центр животноводства – ВИЖ имени академика Л.К. Эрнста»
В исследованиях, проводимых в мире по получению животных-продуцентов биологически активных белков с молоком (молочная железа как биореактор), значительная доля принадлежит работам с геномβ-лактоглобулина (BLG). В обзоре рассматриваются применение генных конструкций с участием фрагментов BLG на разных этапах развития этого направления исследований. Идея получения нокаутных по этому гену животных привлекала не одно поколение генетиков, поскольку белок β-лактоглобулин для многих потребителей, особенно как компонент детского питания, является основным аллергеном козьего и коровьего молока. Описаны эволюция и результативность способов достижения этой цели, в том числе с участием новых технологий, обеспечивающих возможность сайт-специфической интеграции трансгена, включая применение сайт-специфичных нуклеаз – ZFN (zinc-finger nucleases), TALEN (transcription activator-like effector nuclease) и CRISPR/Cas9 (clustered regularly interspaced short palindromic repeats) – короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами. В этих новых технологиях получают сайт-специфический двунитевой разрыв ДНК; повреждение устраняется путем негомологичного соединения концов или путём репарации гомологичной рекомбинацией с использованием ДНК-матрицы (трансгена), фланкированной плечами гомологии к соседним к месту разреза участкам ДНК-мишени. Процесс восстановления часто приводит к целенаправленным мутациям в виде делеций или вставок нуклеотидов, которые могут привести к мутациям сдвига рамки считывания и нокауту гена. CRISPR/Cas9 технология стала доминирующей в создании трансгенных сельскохозяйственных животных, сделав возможным получение крупных генно-модифицированных животных в более короткие сроки, в основном методом микроинъекции в пронуклеусы зигот. Основное внимание в обзоре уделено использованию фрагментов BLG в составе гибридных генетических конструкций. В числе достижений в применении новых технологий – получение ТЖ, экспрессирующих в молоко моноклональные антитела, β-интерферон, лактоферрин, Г-КСФ и лактоферрин человека. В России введен запрет на выращивание и разведение генетически модифицированных растений и животных для производства продуктов питания. Вместе с тем, если какой-то вариант «ослабления» этого запрета, в свете очевидного прогресса в технологиях генетического редактирования, не будет принят в ближайшей перспективе, то необходимость получения животных, продуцирующих с молоком биологически активные белки диагностического и лечебного назначения сохраняет свою актуальность.
1. Езерский В.А., Шевченко В.Г. Выделение и клонирование нуклеотидной последовательности 5'-области гена β-лактоглобулина быка для использования в генно-инженерных конструкциях // Сборник научных трудов ВНИИФБиП. – 2005. – Т. 44. – С. 176-188.
2. Езерский В.А., Иванова Л.Б., Шевченко В.Г. Создание генно-инженерной конструкции на основе регуляторных элементов гена b-лактоглобулина быка и структурного гена лактоферрина человека // Сб. науч. тр. ВНИИФБиП. – 2006. – Т. 45. – С. 121-137.
3. Езерский В.А., Иванова Л.Б., Шевченко В.Г. Создание генно-инженерной конструкции, содержащей структурный ген GCSF человека под контролем регуляторных элементов гена b-лактоглобулина крупного рогатого скота // Проблемы биологии продуктивных животных. – 2007. – № 1. – С. 123-131.
4. Езерский В.А., Шевченко В.Г. Создание генно-инженерной конструкции, содержащей структурный ген лактоферрина человека под контролем регуляторных элементов гена β-лактоглобулина крупного рогатого скота и репортерный ген GFP // Проблемы биологии продуктивных животных. – 2008. – № 2. – С. 3-12.
5. Зугмайер Г, Клингер М., Шмидт М., Субклеве М.. Клинический обзор анти-CD19 BiTE® и ex vivo данных об анти-CD33 BiTE® в качестве примеров ретаргетирования Т-клеток при гематологических опухолях // Российский журнал детской гематологии и онкологии. – 2016. – Т. 3. – № 2. – С. 18-30.
6. Максименко О.Г., Дейкин А.В., Ходарович Ю.М., Георгиев П.Г. Использование трансгенных животных в биотехнологии: перспективы и проблемы // Acta naturae. – 2013. – Т. 5. – № 1(16). – C. 33-47.
7. Немудрый А.А., Валетдинова К.Р., Медведев С.П., Закиян С.М. Системы редактирования геномов TALEN и CRISPR/Cas – инструменты открытий. – Acta naturae. – 2014. – Т. 6. – № 3(22). – С. 20-43.
8. Погорельский И.А., Позовникова М.В. Полиморфизм гена бета-лактоглобулина (BLG) в стаде крупного рогатого скота черно-пестрой породы и взаимосвязь его генотипов с показателями молочной продуктивности // Генетика и разведение животных. – 2014. – № 1. – С. 45-48.
9. Прокофьев М.И., Городецкий С.И., Черных В.Я., Мезина М.Н., Лагутина И.С., Косоруков В.С., Шепель Н.И. Способ получения трансгенного животного, экспрессирующего в молочной железе гранулоцитарный колониестимулирующий фактор человека и гибридный ген h-GM-1 для осуществления способа: патент РФ 2157846, 2000.
10. Прокофьев М.И., Городецкий С.И., Мезина М.Н., Юткин Е.В., Косоруков В.С., Букреев Ю.М., Антипова Т.А., Пинюгина М.Н., Карелина Т.К., Звездин А.В., Краевой С.А. Создание трансгенных кроликов, продуцирующих с молоком человеческий гранулоцитарный колониестимулирующий фактор // Сельскохозяйственная биология. – 2003. – № 6. – С. 49-54.
11. Хаертдинов Р.А., Закирова Г.М., Камалдинов И.Н., Фатихов А.Г.. Значение бета-лактоглобулина в белковом составе козьего молока. // Ученые записки Казанской государственной академии ветеринарной медицины. – 2017. – Т. 229. – № 1. – С. 58-61.
12. Ходарович Ю.М., Воробьёва Н.Е., Мезина М.Н. , Пинюгина М.В. , Прокофьев М.И., Ларионов О.А.. Экспрессия бета-интерферона человека в молочной железе трансгенных кроликов // Биоорганическая химия. – 2008. – Т. 34. – № 2. – С. 185-193.
13. Archibald A.L., MсClenaghan M., Hornsey V., Simons J.P., Clark A.J. High-level expression of biologically active human a1-antitrypsin in the milk of transgenic mice (emphysema/elastase/antiprotease/recombinant DNA/therapeutic proteins) // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. – 1990. – Vol. 87. – P. 5178-5182.
14. Caroli A.M., Chessa S., Erhardt G.J. Invited review: milk protein polymorphisms in cattle: effect on animal breeding and human nutrition // J. Dairy Sci. – Vol. 92. – P. 5335-5352. doi: 10.3168/jds.2009-2461
15. Clark A.J., Bessos H., Bishop J.O., Brown P., Harris S., Lathe R., McClenaghan M., Prowse C., Simons J.P., Whitelaw C.B.A., Wilmut I. Expression of human anti-hemophilic factor IX in the milk of transgenic sheep // Bio/Technology. – 1989. – Vol. 7. – P. 487-492. doi: 10.1038/nbt0589-487
16. Cong L., Ran F.A., Cox D., Lin S., Barretto R., Habib N., Hsu P.D., Wu X., Jiang W., Marraffini L.A., Zhang F. Multiplex genome engineering using CRISPR/Cas systems // Science. – 2013. – Vol. 339. – P. 819-823. doi: 10.1126/science.1231143
17. Cooper C.A., Maga E.A, Murray J.D. Production of human lactoferrin and lysozyme in the milk of transgenic dairy animals: past, present, and future // Transgenic Res. – 2015. – Vol. 24. – No. 4. – P. 605-614. doi: 10.1007/s11248-015-9885-5
18. Christian M., Cermak T., Doyle E.L., Schmidt C., Zhang F., Hummel A., Bogdanove A.J., Voytas D.F. Targeting DNA double strand breaks with TAL effector nucleases // Genetics. – Vol. 186. – P. 757-761.
19. Cui C., Song Y., Liu J., Ge H., Li Q., Huang H., Hu L., Zhu, Jin Y., Zhang Y.. Gene targeting by TALEN-induced homologous recombination in goats directs production of ß-lactoglobulin-free, high-human lactoferrin milk // Sci. Rep. – 2015. – No. 10482. doi: 10.1038/srep10482
20. Durai S., Mani M., Kandavelou K., Wu J., Porteus M.H., Chandrasegaran S. Zinc finger nucle ases: custom designed molecular scissors for genome engineering of plant and mammalian cells // Nucl. Acids Res. – 2005. – Vol. 33. – P. 5978-5990.
21. Freitas V.J.F., Melo L.M., Batista R.I.T.P., Souza-Fabjan J.M.G., Teixeira D.I.A., Serova I.A., Andreeva L.E., Burkov I.A., Serov O.L. Goats (Capra hircus) as bioreactors for production of recombinant proteins interesting to pharmaceutical industry // Clon. Transgen. – 2014. – Vol. 3. – Р. 130. doi:10.4172/2168-9849.1000130
22. Ganai N.A., Bovenhuis H., van Arendonk J.A., Visker M.H. Novel polymorphisms in the bovine β-lactoglobulin gene and their effects on β-lactoglobulin protein concentration in milk // Anim. Genet. – 2008. – Vol. 40. – P. 127-133.
23. Ge H., Cui C., Liu J., Luo Y., Quan F., Jin Y., Zhang Y. The growth and reproduction performance of TALEN-mediated β-lactoglobulin-knockout bucks // Transgenic Res. – 2016. – Vol. 25. – No. 5. – P. 721-729. doi: 10.1007/s11248-016-9967-z
24. Gutiérrez-Adán A., Maga E.A., Behboodi E., Conradbrink J.S., Mackinlay A.G., Anderson G.B., Murray J.D. Expression of bovine β-lactoglobulin transgenic mice // J. Dairy Res. – 1999. – Vol. 66. – P. 289-294.
25. He Z., Lu R., Zhang T., Jiang L., Zhou M., Wu D., Cheng Y. A novel recombinant human plasminogen activator: Efficient expression and hereditary stability in transgenic goats and in vitro thrombolytic bioactivity in the milk of transgenic goats // PLoS One. – 2018. – Vol. 13. – No. 8. – e0201788. doi: 10.1371/journal.pone.0201788
26. Hyttinen J.M., Korhonen V.P., Hiltunen M.O., Myohanen S., Janne J. High-level expression of bovine beta-lactoglobulin gene in transgenic mice // J. Biotechnol. – 1998. – Vol. 61. – No. 3. – P. 191-198.
27. Ibáñez E., Folch J.M., Vidal F., Coll A., Santaló J., Egozcue J., Sánchez A. Expression of caprine b-lactoglobulin in the milk of transgenic mice // Transgenic Research. – 1976. – Vol. 6. – P. 69-74.
28. Jayathilaka K., Sheridan S.D., Bold T.D., Bochenska K., Logan H.L., Weichselbaum R.R., Bishop D.K., Connell P.P. A chemical compound that stimulates the human homologous recombination protein RAD51 // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. – 2008. – Vol. 105. – Р. 15848-15853.
29. Kerr D.E., Plaut K., Bramley A.J., Williamson C.M., Lax A.J., Moore K., Wells K.D., Wall R.J. Lysostaphin expression in mammary glands confers protection against staphylococcal infection in transgenic mice // Nat. Biotechnol. – 2001. – Vol. 19. – P. 66-70.
30. Kim Y.G., Cha J., Chandrasegaran S. Hybrid restriction enzymes: zinc finger fusions to Fok I cleavage domain // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. – 1996. – Vol. 93. – P. 1156-1160.
31. Kishore A., Mukesh M., Sobti R.C., Khate K., Mishra B.P., Sodhi M. et al. Single nucleotide polymorphism in exon 4 and promoter regions of β-lactoglobulin gene in native cattle (Bos indicus) breeds of India // J. Adv. Dairy Res. – 2014. – Vol. 2 – P. 125. doi:10.4172/2329-888X.1000125
32. Korhonen V.P., Tolvanen M., Hyttinen J.M., Uusi-Oukari M., Sinervirta R., Alhonen L., Jauhiainen M., Janne O.A., Janne J. Expression of bovine beta-lactoglobulin/human erythropoietin fusion protein in the milk of transgenic mice and rabbits // Eur. J. Biochem. – 1997. – Vol. 245. – P. 482-489.
33. Lander E.S. The heroes of CRISPR // Cell. – 2016. – Vol. 164. – No. 1-2. – P. 18-28. doi: 10.1016/j.cell.2015.12.041
34. Le Maux S., Bouhallab S., Giblin L., Brodkor A., Croguennec T. Bovine β-lactoglobulin/fatty acid complexes: binding, structural, and biological properties // Dairy Sci. Technol. – 2014. – Vol. 94. – P. 409-426. doi: 10.1007/s13594-014-0160-y
35. Liu X., Wang Y., Guo W., Chang B., Liu J., Guo Z., Quan F., Zhang Y. Zinc-finger nicklase-mediated insertion of the lysostaphin gene into the beta-casein locus in cloned cows // Nat. Commun. – 2013. – Vol. 4. – P. 2565.
36. Liu X., Wang Y., Tian Y., Yu Y., Gao M., Hu G., Su F., Pan S., Luo Y., Guo Z., Quan F., Zhang Y. Generation of mastitis resistance in cows by targeting human lysozyme gene to beta-casein locus using zinc-finger nucleases // Proc. Biol. Sci. – 2014. – Vol. 281. – P. 1780.
37. Lu D., Liu S., Ding F., Wang H., Li J., Li L., Dai Y., Li N. Large-scale production of functional human lysozyme from marker-free transgenic cloned cows // Sci. Rep. – 2016. – Vol. 6. – Р. 22947. doi: 10.1038/srep22947
38. Lum L.S., Dovč P., Medrano J.F. Polymorphisms of bovine β-lactoglobulin promoter and differences in the binding affinity of activator protein-2 transcription factor // J. Dairy Sci. – 1997. – Vol. 80. – P. 1389-1397.
39. Luo Y., Wang Y. Liu J., Cui C., Wu Y., Lan H., Chen Q., Liu X., Quan F., Guo Z., Zhang Y.. Generation of TALE nickase-mediated gene-targeted cows expressing human serum albumin in mammary glands // Sci. Rep. – 2016. – Vol. 6. – P. 20657. doi: 10.1038/srep20657
40. Malewski, T. Computer analysis of distribution of putative cis- and transregulatory elements in milk protein gene promoters // Biosystems. – 1998. – Vol. 45. – P. 29-44.
41. Mercier J.-C., Vilotte J.-L. Structure and function of milk protein genes // J. Dairy Sci. – 1993. – Vol. 76. – P. 3079-3098.
42. McClenaghan М., Springbett A., Wallace R. Secretory proteins compete for production in the mammary gland of transgenic mice // Biochem. J. – 1995. – Vol. 310. – P. 637-641.
43. Ni W., Qiao J., Hu S., Zhao X., Regouski M., Yang M., Polejaeva I.A., Chen C. Efficient gene knockout in goats using CRISPR/Cas9 system // PloS One. – 2014. – Vol. 9. No. 9. – e106718. – PMID: 25188313
44. Ran F.A., Hsu P.D., Wright J., Agarwala V., Scott D.A., Zhang F. Genome engineering using the CRISPR-Cas9 system // Nature Protocols. – 2013. – Vol. 8. – No. 11. – P. 2281-2308. doi: 10.1038/nprot.2013.143 – PMID 24157548
45. Sardina M.T., Rosa A.J.M., Davoli R., Braglia S., Portolano B. Polymorphisms of beta - lactoglobulin promoter region in three Sicilian goat breeds // Mol. Biol. Rep. – 2012. – Vol. 39. – P. 3203-3210. doi: 10.1007/s11033-011-1087-5
46. Shani M., Barash I., Nathan M., Ricca G., Searfoss G.H., Dekel I., Faerman A., Givol D., Hurwitz D.R. Expression of human serum albumin in the milk of transgenic mice // Transgenic Research. – 1992. – Vol. 1. – P. 195-208.
47. Shu J.H., Zhang Y., Pan Z.F., Peng S.Y., Cao J.W., Li X.C. Construction of expression vector of human lactoferrin and its expression in bovine mammary epithelial cells // Belg. J. Zool. – 2007. – Vol. 137. – No. 2. – P. 231-237.
48. Simons J., McClenaghan M., Clarc A. Alteration of the quality of milk by expression of sheep beta-lactoglobulin in transgenic mice // Nature. – 1987. – Vol. 328. – P. 530-532.
49. Song Y., Cui C., Zhu H., Li Q., Zhao F., Jin Y. Expression, purification and characterization of zinc-finger nuclease to knockout the goat beta-lactoglobulin gene // Protein Expres. Purif. – 2015. – Vol. 112. – P. 1-7.
50. Song J., Yang D., Xu J. et al. RS-1 enhances CRISPR/Cas9- and TALEN-mediated knock-in efficiency // J. Nat. Commun. – 2016. – Vol. 7. – P. 10548. doi: 10.1038/ncomms10548
51. Sun N., Zhao H. Transcription activator like effector nucleases (TALENs): a highly efficient and versatile tool for genome editing // Biotechnol. Bioeng. – 2013. – Vol. 110. – P. 1811-1821.
52. Van Kuik-Romeijn P., De Groot N., Hooijberg E., De Boer H.A. Expression of a functional mouse-human chimeric anti-CD19 antibody in the milk of transgenic mice // Transgenic Research. – 2000. –Vol. 9. – No. 2. – P. 155-159.
53. Wei J., Wagner S., Lu D., Maclean P., Carlson D.F., Fahrenkrug S.C., Laible G. Efficient introgression of allelic variants by embryo-mediated editing of the bovine genome // Sci. Rep. – 2015. – Vol. 5. – P. 20155. doi: 10.1038/srep11735.
54. Wei J., Wagner S., Maclean P., Brophy B., Cole S., Smolenski G., Carlson D.F., Fahrenkrug S.C., Wells D.N., Laible G. Cattle with a precise, zygote-mediated deletion safely eliminate the major milk allergen beta-lactoglobulin // Sci. Rep. – 2018. – Vol. 8. – P. 7661. doi: 10.1038/s41598-018-25654-8
55. Whitelaw C B. Truncated beta-lactoglobulin transgenes are expressed in the kidney // Gene. – 1996. – Vol. 178. – No. 1-2. – P. 157-159.
56. Whitelaw C.B., Harris S., McClenaghan M., Simons J.P., Clark A.J. Position-independent expression of the ovine beta-lactoglobulin gene in transgenic mice // Biochem. J. – 1992. – Vol. 286. – P. 31-39.
57. Whitelaw C.B.A., Sheets T.P., Lillico S.G., Telugu B.P. Engineering large animal models of human disease // J. Pathol. – 2016. – Vol. 238. – Р. 247-256.
58. Whitworth K.M., Lee K., Benne J.A., Beaton B.P., Spate L.D., Murphy S.L., Samuel M.S., Mao J.D., O'Gorman C., Walters E.M., Murphy C.N., Driver J., Mileham A., McLaren D., Wells K.D., Prather R.S. Use of the CRISPR/Cas9 system to produce genetically engineered pigs from in vitro-derived oocytes and embryos // Biology of Reproduction. – 2014. – Vol. 91. – No. 3. – Article 78. doi: 10.1095/biolreprod.114.121723
59. Wilmut I., Archibald A.L., Harris S., McClenaghan M., Simons J.P., Whitelaw C.B.A., Clark A.J. Modification of milk composition // J. Reprod. Fert. – 1990. – Vol. 41. – P. 135-146.
60. Wright G., Carver A., Cottom D., Reeves D., Scott A., Simons P., Wilmut I., Garner I., Colman A. High-level expression of active human alpha-1-antitrypsin in the milk of transgenic sheep // Bio/Technol. – 1991. – Vol. 9. – P. 830-834.
61. Xiong K., Li S., Zhang H., Cui Y., Yu D., Li Y., Sun W., Fu Y., Teng Y., Liu Z. et al. Targeted editing of goat genome with modular assembly zinc finger nucleases based on activity prediction by computational molecular modeling // Mol. Biol. Rep. – 2013. – Vol. 40. – P. 4251-4256.
62. Yu S., Luo J., Song Z., Ding F., Dai Y., Li N. Highly efficient modification of beta-lactoglobulin (BLG) gene via zinc-finger nucleases in cattle // Cell Res. – 2011. – Vol. 21. – P. 1638-1640.
63. Yuan Y.-G., Song S.-Z., Zhu M.-M., He Z.-Y., Lu R., Zhang T., Mi F., Wang J.-Y., Cheng Y. Human lactoferrin efficiently targeted into caprine beta-lactoglobulin locus with transcription activator-like effector nucleases // Asian-Austral. J. Anim. Sci. – 2017. – Vol. 30. – No. 8. – P. 1175-1182.
64. Zhou W., Wan Y., Guo R., Deng M., Deng K., Wang Z., Zhang Y., Wang F. Generation of beta-lactoglobulin knock-out goats using CRISPR/Cas9 // PLoS ONE. – 2017а. – Vol. 12. – No. 10. – e0186056.
65. Zhou W, Guo R, Deng M, Wang F, Zhang Y. RS-1 enhanced the efficiency of CRISPR-Cas9 mediated knock-in of human lactoferrin // Sheng Wu Gong Cheng Xue Bao.– 2017b. – Vol. 33. – No. 8. – P. 1224-1234. doi: 10.13345/j.cjb.170105
66. Zhu H., Liu J., Cui C., Song Y., Ge H., Hu L., Li Q., Jin Y., Zhang Y. Targeting human α-lactalbumin gene insertion into the goat β-lactoglobulin locus by TALEN-mediated homologous recombination // PloS ONE. – 2016. – Vol. 11. – No. 6. – e0156636. doi:10.1371/journal.pone.0156636