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西北农林科技大学刘军/刘旭合作发表Adv. Sci(IF=14.3):提出基因编辑育种策略,培育出增强乳腺炎抗性的基因编辑奶山羊

日期:2024-08-19 10:38:29

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基因编辑技术已成为精准操控生物基因组的变革性工具,在动物抗病育种领域具有重要意义。乳腺炎是畜牧业中常见的疾病,给全球奶业带来了巨大的经济负担。

2024年8月5日,西北农林科技大学刘军及刘旭共同通讯在Advanced Science 在线发表题为Generation of Anti-Mastitis Gene-Edited Dairy Goats with Enhancing Lysozyme Expression by Inflammatory Regulatory Sequence using ISDra2-TnpB System的研究论文。该研究提出了一种调控序列基因编辑育种策略,以奶山羊为模型动物,利用ISDra2-TnpB系统成功培育出具有增强乳腺炎抗性的基因编辑奶山羊(GED)。

这包括将先天性炎症调控序列(IRS)定向整合到溶菌酶(LYZ)基因的启动子区。大肠杆菌(E. coli)乳腺感染后,GED山羊的LYZ表达增加,表现出强大的抗乳腺炎能力,抑制了泛凋亡的激活,并减轻了血乳屏障(BMB)损伤。值得注意的是,LYZ仅在大肠杆菌感染中高度表达。本研究标志着无需外源基因表达的抗乳腺炎基因编辑动物的问世,证明了本研究提出的基因编辑策略的可行性,为开发抗病品种、注重疾病特异性和生物安全性提供了新的基因编辑蓝图,为ISDra2-TnpB系统的广泛应用提供了研究基础。

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乳腺炎是影响全球牲畜的重要疾病,造成了重大的经济损失,制约了产业发展。基因编辑技术的出现有望解决这一问题。ISDra2-TnpB蛋白是近年来出现的能够在真核细胞中进行靶向基因组编辑的RNA引导核酸酶,代表了一类新型的基因组编辑工具。在reRNA(右元件RNA,由ISDra2转座子中的RE元件衍生而来的长链非编码RNA)的引导下,ISDra2-TnpB切割TTGAT转座相关模块(TAM)5ʹ端附近的DNA,从而实现真核基因组DNA的切割。尽管研究已证明ISDra2-TnpB系统在体内实施基因治疗的实用性,但仍有一些重要问题尚未得到解答,例如ISDra2-TnpB系统将DNA片段精确插入基因组的可行性以及生成基因编辑动物的可行性。
目前已报道了多种转基因抗乳腺炎动物,包括过表达Toll样受体2(TLR2)的奶山羊、表达重组人β-防御素3基因的奶山羊、表达人LYZ基因的奶山羊、表达溶葡萄球菌酶基因的奶牛等,但其在畜牧业中难以推广应用。近期报道表明,抗蓝耳病的基因编辑猪即将进入市场,这意味着消费者对缺乏外源遗传物质的基因编辑动物的接受程度。因此,迫切需要开发新的无外源基因的抗乳腺炎基因编辑动物策略,以解决乳腺炎造成的经济损失和对人类健康的影响。
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利用RNA-seq分析奶山羊LYZ的抗炎作用(图源自Advanced Science 
当致病菌引起乳腺炎时,会导致乳腺内产生强烈的炎症反应和BMB损伤,在此期间大量免疫细胞涌入乳腺加剧乳腺炎进展。BMB的主要结构包括相邻乳腺上皮细胞之间的紧密连接(TJ),这对于免疫和物理保护至关重要。因此,有效的乳腺炎管理需要根除病原体并保持BMB的完整性和通透性以阻止疾病进展。根据本研究提出的基因编辑策略,需要针对性地编辑具有杀菌和抗炎作用的基因。哺乳动物乳汁中存在的LYZ基因是理想的靶基因,是乳腺免疫防御的关键组成部分。LYZ对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌表现出强大的抗菌活性,含有人类LYZ基因的牛奶能够有效消除体外致病菌,证明了这一点。
LYZ除了具有抗菌作用外,还具有抗炎作用,有研究表明补充LYZ可以降低促炎因子的表达,减轻炎症。但LYZ在奶山羊中的抗炎作用尚不清楚,需要进一步验证。最近的研究表明,在炎症性疾病中,PANoptosis的激活使炎症持续存在,强调了其在疾病进展中的重要性。但感染性炎症导致BMB损伤的具体机制仍不清楚。因此,探索PANoptosis的发生与乳腺炎的关系可以阐明乳腺炎的发病机制,对乳腺炎和BMB损伤的根治具有重要意义。
在本研究中,作者提出了一种新的基因编辑策略来对抗细菌感染引起的炎症疾病,即将IRS靶向整合到抗病基因启动子区,并验证了其可行性。以奶山羊为模型动物,利用ISDra2-TnpB系统成功培育出抗乳腺炎的GED山羊,与传统转基因方法相比,其生物安全性明显提高。在大肠杆菌感染过程中,GED山羊乳腺中LYZ含量增加,抗病性增强。此外,本研究证实了PANoptosis参与了乳腺炎发病过程中BMB的损伤,并揭示了LYZ通过调控高迁移率族蛋白1(HMGB1)表达发挥抗炎作用的潜在调控机制。总之,该策略兼顾疾病特异性和生物安全性,突破了传统育种方法和转基因方法的局限性,对动物抗病育种具有重要意义,也为ISDra2-TnpB系统的广泛应用提供了研究基础。
参考消息:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202404408

来源: iMedicines


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