MOET-assisted CRISPR/Cas9-mediated MSTN genome editing in caprine embryos by electroporation and embryo transfer

In de wereld van de veehouderij is het doel al lang om de dieren te verbeteren die voedsel en bestaansmiddelen bieden aan miljoenen mensen. Decennialang hebben boeren en wetenschappers vertrouwd op selectief fokken, waarbij gewacht werd tot de natuur dieren met betere eigenschappen voortbracht, of op reproductietechnologieën om het nageslacht van de beste presteerders te vermenigvuldigen. Dit proces is echter traag en beperkt door de genetische variatie die al aanwezig is in de kudde. Een nieuwere tool, bekend als genoomredactie, biedt een manier om precieze wijzigingen aan te brengen in de genetische code van een dier, wat potentieel gewenste eigenschappen veel sneller kan introduceren dan traditionele methoden zouden kunnen. Eén specifiek gen, dat fungeert als een natuurlijke rem op de spiergroei, is een primair doelwit geworden voor deze technologie. Wanneer deze rem wordt versoepeld of verwijderd, ontwikkelen dieren meer spieren, een eigenschap die zeer waardevol is voor de vleesproductie. De uitdaging ligt in het afleveren van de redactietools in de vroegste stadia van het leven zonder het kwetsbare embryo te beschadigen, een taak die een balans vereist tussen precisie en zachtheid.

Een team onderzoekers aan het Central Institute for Research on Goats in India heeft een belangrijke stap gezet naar het oplossen van deze uitdaging door twee gevestigde technieken te combineren: een methode om veel embryo's tegelijk te verzamelen en een manier om genetische tools in hen te leveren zonder invasieve chirurgie. De onderzoekers richtten zich op het myostatine-gen, de natuurlijke regulator die de spiergrootte beperkt bij geiten. Hun doel was om te zien of ze dit gen tijdelijk konden uitschakelen in geitembryo's direct na de bevruchting, met behulp van een moleculair instrument dat werkt als een schaar om het DNA op een specifieke plek door te knippen. Om dit te doen, gebruikten ze een techniek genaamd elektroporatie, waarbij korte, gecontroleerde elektrische pulsen worden gebruikt om kleine, tijdelijke gaatjes in het celmembraan te maken, waardoor de redactietools naar binnen kunnen glippen. Deze aanpak voorkomt de noodzaak om elk embryo individueel met een naald te injecteren, een proces dat moeilijk en tijdrovend is wanneer men met veel embryo's tegelijk werkt.

De studie begon met acht vroulige geiten die werden behandeld met hormonen om meerdere eicellen tegelijk te produceren, een proces dat bekend staat als superovulatie. De onderzoekers verzamelden achtenttentigt bevruchte eicellen, of vermeende zygota, van deze dieren met behulp van een minimaal invasieve chirurgische procedure. Deze kleine embryo's werden vervolgens geplaatst in een oplossing die de genetische redactietools bevatte, bestaande uit een eiwit en een gidsmolecuul ontworpen om het myostatine-gen te vinden. De groep werd onderworpen aan drie korte elektrische pulsen, elk duren drie milliseconden, om de tools in de cellen te helpen komen. Na de elektrische behandeling werden de embryo's teruggebracht naar een warme, gecontroleerde omgeving om te groeien. Opmerkelijk genoeg ontwikkelden alle achtenttentig embryo's zich tot het morula-stadium in cultuur, waarbij twee van hen verder gingen om blastocysten te worden, een geavanceerder stadium van ontwikkeling.

Om te verifiëren of de redactie daadwerkelijk had gewerkt, onderzochten de wetenschappers vier morula-stadium embryo's. Ze extraheerden het genetisch materiaal uit deze cellen en zochten naar tekenen dat het myostatine-gen was doorgeknipt en gerepareerd met fouten, wat de manier is waarop het gen wordt uitgeschakeld. De analyse toonde aan dat drie van de vier embryo's, of 75 procent, de beoogde genetische verandering droegen. Dit bevestigde dat de elektrische methode de genetische tools succesvol had afgeleverd en dat de tools correct functioneerden binnen de ontwikkelende cellen. De onderzoekers gingen vervolgens over naar de volgende cruciale fase: zien of deze bewerkte embryo's een foetus konden vormen in een moedergeit. Ze selecteerden vier embryo's die het viercelstadium hadden bereikt en transplanteerden deze naar één enkele vroulige geit die gesynchroniseerd was om klaar te zijn voor dracht.

De transfer was succesvol. De ontvangende geit werd drachtig, en echoscopieën bevestigden de aanwezigheid van gezonde foetussen met kloppende harten. Helaas stierf de moedergeit aan longontsteking op vijfenvijftig dagen van de dracht, ruim voordat de zwangerschap de volledige termijn kon bereiken. De onderzoekers waren echter in staat om twee intacte foetussen uit de baarmoeder te bergen. Beide foetussen leken normaal van vorm en grootte, zonder zichtbare tekenen van ontwikkelingsproblemen, wat suggereert dat het redatieproces hun groei niet heeft geschaad. Het team testte vervolgens het genetisch materiaal van de oren van deze twee foetussen om te zien of het myostatine-gen was bewerkt. De resultaten toonden aan dat één van de foetussen, een mannetje, de genetische modificatie droeg, terwijl de vrouwtjes het niet deed. Deze uitkomst benadrukt dat zelfs wanneer embryo's dezelfde behandeling ontvangen, de redactie in sommige maar niet in andere kan plaatsvinden, een bekende variatie in dit type wetenschap.

Dit werk demonstreert dat het mogelijk is om de verzameling van meerdere embryo's van een donor te combineren met een niet-invasieve elektrische leveringsmethode om het genoom van geiten te bewerken. De studie bewijst dat de embryo's de elektrische pulsen kunnen overleven, zich in het lab kunnen blijven ontwikkelen en succesvol kunnen implanteren in een ontvanger om foetussen te worden. Hoewel de modificatie niet in elk geval succesvol was, toont het feit dat de modificatie werd gedetecteerd in zowel de vroege in het lab gekweekte embryo's als in een foetus die zich in een moeder ontwikkelde, aan dat de aanpak levensvatbaar is. De onderzoekers hebben een workflow vastgesteld die de winning van embryo's van een waardevolle donor koppelt aan een niet-invasieve elektrische leveringsmethode voor genoomredactie, en de transfer van die embryo's naar een draagmoeder. Dit geïntegreerde platform biedt een fundament voor toekomstige inspanningen om geiten met verhoogde spiergroei te creëren, wat een efficiënter pad biedt voor het verbeteren van vee-eigenschappen dan traditionele fokkerij alleen.