PGC-Mediated Establishment of a Chicken Transgenic Line with Mendelian Inheritance and No Detectable Growth or Reproductive Effects

Nel mondo degli uccelli, il percorso da una singola cellula a una nuova generazione è un viaggio che inizia molto prima che l'uovo venga deposto. Nel profondo delle fasi iniziali di un embrione, un piccolo gruppo di cellule intraprende una migrazione. Queste sono le cellule germinali primordiali, le antenate di tutti i futuri spermatozoi e uova. A differenza di molti altri animali in cui queste cellule sono nascoste o difficili da raggiungere, negli uccelli esse viaggiano attraverso il flusso sanguigno per stabilirsi negli organi riproduttivi in via di sviluppo. Questa accessibilità unica ha reso queste cellule un punto focale per gli scienziati che desiderano comprendere come i cambiamenti genetici vengano tramandati. Se uno scienziato potesse modificare il DNA di queste cellule in viaggio e poi restituirle a un embrione, tali cambiamenti diventerebbero teoricamente parte dell'eredità genetica permanente dell'uccello, apparendo nella sua prole e nella prole della sua prole. La domanda che da tempo aleggia in questo campo è se un simile innesto genetico deliberato possa essere ereditato fluidamente, generazione dopo generazione, senza causare all'uccello difficoltà nella crescita o nella capacità di riprodursi.

Un team di ricercatori dell'Università di Yangzhou, in Cina, ha ora fornito una risposta chiara a questa domanda creando una linea di polli che trasporta un marcatore genetico specifico e innocuo. Hanno iniziato raccogliendo le cellule germinali primordiali da embrioni di pollo di appena cinque giorni e mezzo. In laboratorio, hanno fatto crescere queste cellule in una piastra, mantenendole vive e sane. Utilizzando un virus specializzato che agisce come un camion per le consegne, hanno inserito un gene per una proteina verde fluorescente nel DNA di queste cellule. Questo bagliore verde, noto come proteina fluorescente verde potenziata, non cambia l'aspetto dell'uccello alla luce normale; funge semplicemente da una bandiera luminosa e visibile che gli scienziati possono tracciare sotto luci speciali. Dopo aver accertato che le cellule fossero sane e possedessero ancora le corrette caratteristiche biologiche delle cellule germinali, i ricercatori le hanno iniettate nuovamente nei vasi sanguigni di altri embrioni di pollo in via di sviluppo.

Questi embrioni iniettati sono cresciuti in polli che erano mosaici, il che significa che i loro corpi contenevano un mix delle loro cellule originali e delle nuove cellule luminose fornite dai ricercatori. Quando questi galli mosaici hanno raggiunto l'età adulta, i ricercatori hanno raccolto il loro sperma e hanno scoperto che una piccola parte degli spermatozoi trasportava il gene verde. Accoppiando questi galli con galline normali, hanno prodotto la prima generazione di prole che portava il gene in ogni cellula dei loro corpi. Il vero test, tuttavia, era vedere se questo gene si sarebbe comportato come una parte normale del DNA del pollo mentre si muoveva attraverso le generazioni successive. I ricercatori hanno accoppiato questi polli luminosi per creare una seconda e poi una terza generazione. Hanno contato la prole e hanno scoperto che il gene appariva nelle proporzioni attese, seguendo le normali regole dell'ereditarietà che governano il modo in cui i tratti vengono trasmessi dai genitori ai figli. Non è scomparso, né è diventato caotico; si è stabilizzato in un modello prevedibile, apparendo in circa la metà della prole quando un solo genitore lo possiede, e in circa tre quarti quando entrambi i genitori lo possiedono.

Per essere assolutamente certi che il gene fosse posizionato nello stesso punto del DNA ogni volta, gli scienziati hanno esaminato il codice genetico degli uccelli. Hanno mappato l'esatta posizione in cui il nuovo gene era approdato e hanno scoperto che era stato inserito in una regione specifica del cromosoma 10. Hanno confermato questa posizione nella prima, seconda e terza generazione, dimostrando che lo stesso singolo evento veniva trasmesso fedelmente. Hanno anche controllato la struttura fisica del DNA per assicurarsi che il gene non si stesse rompendo o riorganizzando mentre si muoveva attraverso l'albero genealogico. I risultati hanno mostrato un'integrazione stabile e immutabile che rimaneva costante in tutte le generazioni studiate.

Forse la parte più importante di questo lavoro è stata verificare se questa aggiunta genetica comportasse un costo nascosto. Nel mondo della genetica, a volte aggiungere un nuovo pezzo di DNA può interrompere le normali funzioni del corpo, causando all'animale una scarsa crescita o difficoltà a riprodursi. I ricercatori hanno misurato il peso e le dimensioni dei polli luminosi in varie fasi della loro vita, dal momento della schiusa fino alla piena maturità. Hanno anche esaminato la salute dei loro sistemi riproduttivi, osservando il volume e la qualità dello sperma nei maschi e il numero di uova prodotte dalle femmine. Hanno scoperto che non c'era differenza tra i polli luminosi e i loro cugini normali, non luminosi. Gli uccelli transgenici crescevano allo stesso ritmo, raggiungevano le stesse dimensioni e producevano tanti figli sani quanti i volatili selvatici. Il gene è stato trasmesso, era stabile e non ha danneggiato l'uccello in nessuno dei modi misurabili dagli scienziati.

Questo studio dimostra che è possibile creare una linea di polli con un cambiamento genetico definito che viene ereditato perfettamente e in sicurezza. Il gene luminoso ha servito come un semplice strumento per dimostrare il punto, ma il metodo utilizzato per ottenerlo — manipolare le cellule germinali primordiali in una piastra e restituirle all'embrione — offre un modo affidabile per studiare come i cambiamenti genetici si comportano negli uccelli. Dimostrando che un'inserzione genetica specifica può essere tracciata attraverso tre generazioni senza causare alcun problema rilevabile con la crescita o la riproduzione, i ricercatori hanno stabilito una solida base per il lavoro futuro. Questo approccio potrebbe un giorno essere utilizzato per introdurre tratti benefici nel pollame o per preservare il materiale genetico di specie di uccelli rare, sapendo che le modifiche genetiche saranno trasmesse in modo affidabile e senza conseguenze indesiderate. Il lavoro conferma che la linea germinale dell'uccello è un veicolo stabile per l'eredità genetica, capace di trasportare nuove informazioni nel tempo proprio come trasporta quelle vecchie.