Transgenová hospodářská zvířata

Doc. Ing. Jaroslav Petr, DrSc., VÚŽV Uhříněves

Naplnění dávných snů

Geneticky manipulované rostliny již stačily vzbudit naděje odborníků, zmást laickou veřejnost a vydráždit ekologické aktivisty. Hospodářská zvířata s dědičnou informací ovlivněnou cíleným zásahem genového inženýrství na sebe zdaleka nesoustředí takovou pozornost. Přesto se transgenové ovce, kozy, skot nebo prasata stávají nedílnou součástí našeho života.

Transgenová hospodářská zvířata nejsou z nebe spadlým fenoménem. Naopak, jejich získávání a chov představují logické pokračování procesu, který započal před tisíciletími domestikací divokých zvířat. Už v dávných dobách člověk významně zasahoval do dědičné informace hospodářských zvířat. Přesvědčíme se o tom, když si vedle sebe představíme skot, jaký chovali neolitičtí zemědělci, a dnešní plemena skotu. Tato zvířata dělí stejně propastný rozdíl jako parní samohyb Josefa Božka a vůz formule 1.

I když byli dávní chovatelé zvířat velice zdatnými šlechtiteli, přeci jen začali pociťovat rámec dědičné informace jediného druhu jako nepříjemné omezení. Záměr zkombinovat vlastnosti zvířat různých druhů vyústil v produkci mezidruhových kříženců. Nenáročnost osla a pracovní výkonnost koně celkem zdařile zkombinovali už staří Římané v mulách a mezcích. Jindy ale vyšly obdobné snahy naprázdno. Například při křížení koní a zeber, které mělo zajistit produkci hybridů s ovladatelností koně a zebří odolností vůči tropickým chorobám. Teprve rozvoj molekulární genetiky otevřel chovatelům zvířat cestu k tomu, aby se tyto dávné ambice naplnily zcela cíleným zásahem do dědičné informace zvířat.

Jak dát zvířeti nový gen?

Rejstřík metod, jimž lze do dědičné informace živočichů vpravit cizí gen, je široký.

Zdánlivě nejpřímočařejší způsob obohacení dědičné informace živočicha představuje injekce genu do raného zárodku. Pro tyto účely je obvykle využíváno oplozené vajíčko, v kterém se dosud nespojila mateřská a otcovská dědičná informace a obě tvoří oddělené útvary zvané prvojádra. Pomocí jemné skleněné kapiláry je roztok genu vstříknut do prvojádra vzniklého ze spermie. Celá operace je poměrně náročná nejen na technické vybavení laboratoře a zkušenost operatéra. Vyžaduje značné množství oplozených vajíček, protože účinnost metody dosahuje nejvýše několika procent. K slušné naději na úspěch je proto zapotřebí podrobit zákroku desítky, ale raději stovky zárodků, které jsou následně přeneseny do těla náhradním matkám. Bohužel, většina zárodků není schopna zakončit úspěšně vývoj. Ale ani narození mláďat ještě nezajišťuje úspěch. Zdaleka ne u všech zárodků dochází k úspěšnému zabudování genu do dědičné informace. Přesto byla touto metodou získána četná transgenová hospodářská zvířata.

Omezených možností mikroinjekční metody si byli velmi dobře vědomi Ian Wilmut a Keith Campbell ze skotského Edinburku. Jejich pokusy, které vyústily v roce 1996 v narození ovce Dolly, nebyly motivovány snahou o naklonování dokonalých dvojníků. Skotští vědci se od počátku snažili získat živé a zdravé zvíře z buněk pěstovaných v laboratoři, protože tyto buňky mohly být podrobeny zásahu, kterým by byl do jejich dědičné informace vnesen cizí gen.

Ani přenos genů do laboratorně pěstovaných buněk se nepyšní nijak vysokou účinností. Buňky, u kterých se zákrok podařil, je ale možné relativně snadno vybrat a dále namnožit. Pokud je z takové buňky naklonováno zvíře, nesou všechny buňky jeho těla cizí gen. Výběr „nositelů“ genu tedy neprobíhá na úrovni narozených mláďat, jak je tomu obvykle v případě mikroinjekční techniky, ale na úrovni buněk. Díky tomu je produkce transgenových zvířat klonováním několikanásobně lacinější.

Pro přenos genů lze s výhodou využít i schopnost virů zabudovávat virové geny do dědičné informace hostitelských buněk. Viry se množí pouze s pomocí buněčné mašinérie hostitele. Zabudují své geny do dědičné informace nakažené buňky a ta pak vyrábí podle virových genů nové viry. V laboratořích molekulárních genetiků lze ale připravit viry, které jsou zbaveny části svých vlastních genů a místo nich je jim „podvržen“ gen, který chce člověk „propašovat“ do buněk. Virus pak v roli jakéhosi „trojského koně“ provede přenos genů do buněk. Příprava těchto virových nosičů čili vektorů je náročná a navíc je výrazně omezena velikost genu, který lze do nitra viru vměstnat. Řada velmi důležitých genů je příliš velká na to, aby je bylo možné do viru „namačkat“.

V roce 1989 vzrušila odborníky zpráva italského týmu o přenosu genů prostřednictvím spermií. Postup byl na první pohled velmi jednoduchý. Při oplození „ve zkumavce“ (které se ale v drtivé většině neprovádí ve skleněných zkumavkách ale v plastikových Petriho miskách) byl k myším vajíčkům a spermiím přimíchán i cizí gen. Výsledky experimentů byly Italy interpretovány tak, že spermie na sebe navážou během několika minut cizí gen a ten pak při oplození vajíčka vnesou do vznikajícího zárodku.

Metoda využívající spermii jako vektoru cizí dědičné informace překvapovala neuvěřitelně vysokou účinností. Cizí gen nesla asi jedna třetina narozených myší. Potíže nastaly ve chvíli, kdy se pokusy Italů pokusily zopakovat další vědecké týmy. Některé uspěly, ale mnozí věhlasní odborníci vyšli naprázdno. Důvěra v přenos genů spermiemi rázem poklesla. Nad Italy se vznášelo nikým nevyřčené obvinění z vědeckého podvodu. V současnosti se zdá, že spermie mohou při oplození ve zkumavce cizí geny skutečně přenášet. Chovají se ale velice nevypočitatelně. V řadě případů naprosto selžou, v jiných pokusech ale může být spermiemi přenesen gen do více než 85% zárodků. Důvody této nespolehlivosti nejsou známy.

Přenos genu může živočicha „postihnout“ různou měrou. Cizí gen nemusí být nutně přítomen ve všech buňkách těla zvířete. Pokud je například gen vnášen do jednobuněčného zárodku, ale k jeho zabudování do dědičné informace zárodku dojde s určitým zpožděním, pak nemusí být některé buňky zárodku přenosem genu poznamenány. V těle zvířete, jež se z takového zárodku narodí, najdeme cizí gen jen v některých buňkách, v některých tkáních nebo některých orgánech. O přenosu cizího genu na potomky pak rozhoduje to, do jaké míry se cizí gen dostal i do pohlavních buněk. V některých případech pak nese cizí gen jen část potomstva a v krajním případě se nemusí mezi potomky vůbec objevit nositelé cizího genu.

Někdy je gen záměrně přenášen jen do některých tělesných buněk plodu nebo dospělého zvířete. V poslední době bylo pro tyto účely s úspěchem použito například přímé injekce genu do svalu případně byl průnik genu do svalových buněk zesílen působením elektrických impulsů. Pro zvířata, která nesou cizí gen jen v některých buňkách těla, se používá označení „transkaryontnní“.

Zvýšení růstu zvířat

V roce 1982 obletěla svět fotografie dvou myší převzatá z titulní stránky časopisu Nature. Oba myší sourozenci se výrazně lišili velikostí. Větší z myší vděčila za svůj růst genu pro krysí růstový hormon. Díky regulační sekvenci připojené ke genu byla syntéza krysího růstového hormonu nasměrována do jater. Tělo myši bylo zaplaveno růstovým hormonem a zvíře na to zareagovalo růstem, který i titulek seriozní vědecké statě označil jako „dramatický“. Tento experiment pustil fantazii seriózních vědců z uzdy. Vize předních světových odborníků se četly jako science fiction. Zemědělství mělo v dohledné době zažít revoluci, která slibovala přivést do chlévů a stájí obří krávy dojící denně hektolitry mléka nebo prasata dorůstající hmotnosti několika metrických centů.

Naplnění těchto vizí ale uvázlo na nečekaných problémech. I když se podařilo získat prasata, která nesla ve své dědičné informaci cizí gen pro růstový hormon a dokázala syntetizovat velká množství tohoto hormonu v játrech, vysněný „dramatický růst“ se nedostavil. Naopak, prasata trpěla řadou zdravotních poruch a ve skutečnosti rostla hůře než prasata, jež nebyla podrobena genové manipulaci.

Pokusy zvýšit růstové schopnosti přenosem genu pro růstový hormon selhaly postupně i u skotu a ovcí. Úspěchu se vědci dočkali pouze u ryb. Vstříknutím roztoku genu pro růstový hormon do jikry lze získat ryby, pro jejichž růst lze bez velkého přehánění použít otřepaný obrat „jako z vody“. Intenzivní růst se tak podařilo navodit např. u lososů, kaprů nebo tilapií nilských.

Vědci proto hledají další možnosti, jak navodit intenzivní růst u hospodářských zvířat. Velké naděje jsou vkládány do genu kódujícího bílkovinu myostatin. Tato bílkovina je syntetizována ve svalové tkáni a brání nadměrnému růstu svalů. Myši, kterým byl gen kódující myostatin vyřazen z činnosti, se vyznačují enormně velkými svaly. Myostatin by neměl zklamat ani u hospodářských zvířat. U některých plemen skotu je extrémně vyvinuté svalstvo vyvoláno mutací genu pro myostatin, díky které postrádá myostatin biologickou účinnost. Z tohoto faktu čerpají vědci optimismus pro pokusy, při kterých by byl v prasečích buňkách cíleným zásahem narušen gen pro myostatin a klonováním by bylo z těchto buněk získáno prase s vrozenou schopností enormního růstu svaloviny. S naklonováním prvních prasat v březnu roku 2000 se tyto plány velice přiblížily realitě.

Je zajímavé, že zvýšené intenzity růstu se podařilo dosáhnout poté, co byl myším a prasatům vpraven injekcí do svalu gen kódující releasing hormon růstového hormonu (GHRH). Tento releasing hormon je v těle zvířat vylučován v hypothalamu a vyvolává uvolnění růstového hormonu z hypofýzy. U myší a prasat, kterým byl gen pro GHRH vpraven do svalu, došlo k syntéze GHRH ve svalové tkání. Takto produkovaný releasing hormon pak vyvolal uvolnění velkého množství růstového hormonu z hypofýzy a zvýšil růstové schopnosti prasat až o 40%.

Zvířata vzdorují chorobám

Infekční choroby způsobují v chovech zvířat obrovské škody. Nemusí k nim docházet jen za dramatických událostí, jaké představuje likvidace stád prasat nakažených prasečím morem. I na první pohled neškodné infekce snižují významnou měrou užitkovost chovaných zvířat. Není divu, že se zemědělci shodli s molekulárními genetiky na naléhavé potřebě vyšlechtit zvířata odolná vůči různým chorobám.

Pro naplnění těchto ambiciózních cílů se nabízí hned několik postupů. Jeden z nich využívá přenosu vybraných virových genů do dědičné informace zvířat. Pro tento účel jsou často používány geny pro obalové bílkoviny viru, kterými se vir váže na povrch buněk zvířete a díky kterým může následně proniknout do nitra napadené buňky. Buňky transgenových zvířat vyrábějí virový protein a ten se váže na příslušná místa na povrchu buněk. Vazebné místo pro vir je tak obsazeno bílkovinou a vir nemůže buňku infikovat. Tímto postupem již byly získány např. linie kura domácího odolné vůči viru leukózy.

Velká pozornost je věnována i genům, které jsou přirozenou součástí dědičné informace zvířat a které vyvolávají přirozenou odolnost vůči infekčním chorobám. Dlouho byl jako příklad takového genu uváděn gen předurčující myši k odolnosti vůči viru chřipky. Později ale byly objeveny geny, které slibují přinést bezprostřední užitek i chovatelům hospodářských zvířat. Patří k nim například geny, které přispívají k odolnosti drůbeže vůči salmonelám nebo viru vyvolávajícímu Markovu chorobu.

Přenos genů může učinit zvířata odolnými i vůči nepříznivým vlivům vnějšího prostředí. Chov lososů omezuje například skutečností, že tělní tekutiny lososa mrznou při teplotách, kdy mořská voda ještě zůstává v kapalném skupenství. Losos proto může v podchlazené mořské vodě zmrznout. Ryby polárních oblastí se proti takovému zmrznutí chrání speciálními bílkovinami, které potlačují růst ledových krystalů. Pokud by se podařilo přenést gen pro tento „protimrazový“ protein do dědičné informace lososa, mohly by ryby získat odolnost k nízkým teplotám a jejich chov by se mohl rozšířit do vyšších zeměpisných šířek.

Nové potraviny

Transgenová hospodářská zvířata by mohla produkovat i potraviny zcela nových vlastností. V popředí zájmu se ocitá především kravské mléko. To je významným zdrojem živin, ale zdaleka ne všichni je mohou bez problémů konzumovat. Drtivá většina dospělých nedokáže trávit mléčný cukr laktózu. Pokud se tento cukr dostane ve větších množstvích do střeva, pak se na něm může nežádoucím způsobem pomnožit střevní mikroflóra a důsledkem jsou střevní potíže. Proto se producenti i zpracovatelé mléka snažili získat kravské mléko, které by mělo snížený obsah mléčného cukru. Dosavadní postupy jsou ale velice složité a tudíž i drahé.

Ukazuje se, že by bylo možné snížit obsah laktózy v mléce skotu poté, co by byl do jeho dědičné informace vpraven gen pro laktázu, tedy enzym, který mléčný cukr rozkládá na jednoduché cukry. Naznačily to pokusy, při nichž byl do dědičné informace myší přenesen gen pro laktázu s regulačními sekvencemi, které zajistily tvorbu funkčního enzymu v mléčné žláze. K rozkladu laktózy na jednoduché cukry tak docházelo přímo v buňkách mléčné žlázy a myši uvolňovaly mléko se silně sníženým obsahem mléčného cukru. Myší mláďata živená tímto mlékem rostla zcela normálně, což dosvědčuje, že výživná hodnota nebyla rozkladem mléčného cukru výrazně snížena. Stejným postupem by bylo možné získat i skot, který by produkoval mléko se silně sníženým obsahem laktózy.

Mléko by ale mělo stát v centru snah o další zásahy do dědičné informace skotu. Přenosem genů by bylo možné zvýšit v kravském mléce obsah laktoferinu nebo lysozymu. Obě bílkoviny jsou schopny potlačit růst bakterií vyvolávajících vážná střevní onemocnění. Laktoferin navíc přispívá k transportu iontů železa do krve.

Skot, v jehož dědičné informaci by byly zaměněny původní geny pro mléčné bílkoviny (např. laktalbumin, laktoglobulin) za geny příslušných lidských bílkovin, by dojil mléko využitelné při výrobě mléčné výživy pro kojence. U řady dětí vyvolává příjem kravského mléka alergie na mléčné bílkoviny skotu. Kojenecká výživa založená na mléce z transgenových krav by výrazně snížila riziko těchto alergií.

Produkce nových materiálů

Příslib do blízké budoucnosti představují transgenová zvířata produkující zcela nové materiály. Za příklad nám může posloužit kanadská biotechnologická firma Nexia Biotechnologies, která nakoupila od amerických universit patentová práva na geny kódující bílkovinu pavoučího vlákna a hodlá produkovat umělou pavučinu s pomocí transgenových koz. První kozy, které by vylučovaly bílkovinu pavučiny v mléce, by se měly narodit na konci roku 2000.

Pro svou „umělou pavučinu“ má Nexia registrovánu ochrannou značku BioSteel (tedy cosi jako „biologická ocel“). BioSteel by se měl uplatnit v nejrůznějších oblastech lidského života. Protože svou pevností překonává i kevlar, projevuje o něj velký zájem armáda a policie. BioSteel by měl být využit pro výrobu nových neprůstřelných vest nebo při konstrukci letadel. Kromě pevnosti vyniká BioSteel také tím, že jej velmi dobře snáší lidský organismus. Mohli by jej proto využívat i lékaři pro chirurgické šití nebo pro léčení poraněných šlach.

Podobných materiálů nabízí příroda nepřeberné množství, a tak můžeme kanadský BioSteel považovat za první vlaštovku ve zcela nové oblasti využívání transgenových zvířat.

Produkce farmakologicky využitelných proteinů

Pokud už někde dosáhlo využití transgenových zvířat průmyslového měřítka, pak to platí především o produkci lidských bílkovin využitelných pro léčbu vážných lidských onemocnění. Některé farmakologicky využitelné lidské bílkoviny lze vyrábět prostřednictvím bakterií, do jejichž dědičné informace byl přenesen lidský gen. Především u složitějších lidských bílkovin ale nedokážou bakterie provést všechny kroky potřebné pro plnou biologickou aktivitu produkované bílkoviny. Výroba těchto bílkovin s pomocí savčích buněk obohacených o lidský gen a kultivovaných ve velkých kultivačních nádobách přináší jen částečné řešení. Takto získaná bílkovina má sice patřičnou biologickou aktivitu, ale zůstává velice drahá, vzhledem k vysokým nákladům spojeným jak s výstavbou kultivačních zařízení, tak i s vysokými nároky na jejich provoz.

Ve srovnání s již zmíněnými výrobními postupy je lidská bílkovina produkovaná transgenním zvířetem kvalitní a laciná. Několik transgenových zvířat přitom může pokrýt celosvětovou potřebu lidské bílkoviny pro účinnou léčbu nemocných. Příkladem bílkovin produkovaných transgenovými zvířaty jsou lidské srážlivé faktory využívané k léčbě chorobné krvácivosti nebo obalový protein viru hepatitidy B využitelný pro výrobu vakcíny. Prozatím jsou tyto bílkoviny produkovány především v mléce, ale v experimentech je ověřována možnost jejich produkce v krvi, moči nebo semenné plasmě transgenových zvířat.

Xenotransplantace

Produkcí farmakologicky využitelných lidských proteinů s pomocí transgenových hospodářských zvířat opouštíme oblast zemědělství a ocitáme se na půdě humánní medicíny. S touto oblastí je spjata i nesmírně citlivá otázka produkce zvířecích orgánů vhodných pro transplantace nemocným lidem.

Potřeba lidských orgánů pro transplantace dramaticky roste a její uspokojení představuje celosvětový problém. Hledání kvalitních náhrad se ubírá mnoha směry, od mechanických náhražek srdce, přes orgány a tkáně vypěstované z lidských buněk v laboratorních podmínkách (např. kůže, chrupavky, močový měchýř) až po orgány získávané od transgenových zvířat.

V současné době se upírá velká pozornost na využití prasečích orgánů pro transplantace lidem. Jejich bezprostřednímu uplatnění brání prudká imunitní reakce lidského organismu na prasečí buňky a tkáně.Mnoho biotechnologických firem se proto zaměřilo na získání transgenových prasat, jejichž orgány by po transplantaci nevyvolávaly tuto okamžitou, prudkou odezvu imunitního systému. Toho lze dosáhnout buď přenosem vybraných lidských genů do dědičné informace prasete nebo naopak vyblokováním některých prasečích genů.

Přes nesporný pokrok nepředpokládají ani největší optimisté zahájení prvních klinických zkoušek s transplantacemi orgánů transgenových prasat nemocným lidem dříve než za čtyři roky.

Žádný strach z transgenů

Produkce transgenových zvířat s sebou nese otázky, které znepokojují především laickou veřejnost. Mnoho neopodstatněných obav pramení pouze z nedokonalé informovanosti. Vědci rozhodně nejsou partou nezodpovědných diletantů, která by okázale ignorovala jakákoli rizika spjatá s uplatněním výsledků jejich práce. Produkce a chov transgenových zvířat není v tomto směru výjimkou. Z ekologického hlediska je věnována velká pozornost například transgenovým rybám s ohledem na možná rizika spojená s jejich únikem do volné přírody. V centru pozornosti vědců se ocitá i zdravotní stav a pohoda transgenových zvířat.

Česká republika vypracovala velmi důkladný systém kontroly produkce a chovu transgenových zvířat v rámci zákona o geneticky manipulovaných organismech. Ochranu pohody a zdraví garantují transgenovým zvířatům (stejně jako jiným živočichům) další právní normy, jmenovitě veterinární zákon a zákon na ochranu zvířat proti týrání. Není tedy důvod, proč by se transgenová hospodářská zvířata nemohla objevit i v České republice. Přínosy chovu takových zvířat jsou už dnes zcela zřejmé a do budoucna význam transgenových zvířat významně vzroste.

J. Petr