Transgenová hospodářská zvířata

Transgenová hospodářská zvířata nevzbuzují takovou pozornost jako geneticky manipulované rostliny, přestože se transgenové ovce, kozy, skot nebo prasata pomalu stávají nedílnou součástí našeho života. Nejsou fenoménem spadlým z nebe – jejich získávání a chov jsou logickým pokračováním procesu, který před tisíciletími započal domestikací divokých zvířat. Do dědičné informace hospodářských zvířat zasahoval člověk už v dávných dobách. Přesvědčíme se o tom, když si vedle sebe představíme skot, jaký chovali neolitičtí zemědělci, a dnešní plemena. Je mezi nimi podobný rozdíl jako mezi parním samohybem Josefa Božka a vozem formule 1. I když byli dávní chovatelé zvířat zdatnými šlechtiteli, začali pociťovat rámec dědičné informace jediného druhu jako omezení a pokoušeli se o křížení mezidruhové. Tak se starým Římanům podařilo v mulách a mezcích zkombinovat nenáročnost osla s pracovní výkonností koně, jindy však vyšly obdobné snahy naprázdno. Křížení koní a zeber, které mělo zajistit produkci hybridů s ovladatelností koně a zebří odolností vůči tropickým chorobám, se nepodařilo. Teprve rozvoj molekulární genetiky otevřel chovatelům zvířat cestu k tomu, aby se tyto dávné ambice naplnily cíleným zásahem do dědičné informace.

Jak dát zvířeti nový gen

Rejstřík metod, jimiž lze do dědičné informace živočichů vpravit cizí gen, je široký. Zdánlivě nejpřímočařejší způsob představuje injekce genu do raného zárodku. Pro tyto účely se obvykle využívá oplozené vajíčko, v němž se mateřská a otcovská dědičná informace dosud nespojila, ale tvoří oddělené útvary – prvojádra. Jemnou skleněnou kapilárou se roztok genu vstříkne do prvojádra vzniklého ze spermie (viz tabulku Klonování, Vesmír 77, 567, 1998/10). Celá operace je poměrně náročná nejen na technické vybavení laboratoře a zkušenost operatéra, ale i na množství oplozených vajíček (účinnost metody dosahuje nanejvýš několika procent). Zákroku se podrobují desítky, či spíš stovky zárodků, které se přenášejí do těla náhradním matkám, ale většina zárodků svůj vývoj neukončí. Ba ani narození mláďat ještě nezajišťuje úspěch. Požadovaný gen totiž nemusí být u všech zárodků úspěšně zabudován do dědičné informace. Přesto již byla touto metodou získána četná transgenová hospodářská zvířata.

Omezených možností mikroinjekční metody si byli velmi dobře vědomi Ian Wilmut a Keith Campbell ze skotského Edinburgu. Jejich pokusy, které r. 1996 vyústily v narození ovce Dolly (viz Vesmír 77, 567, 1998/10), 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, jímž by byl do jejich dědičné informace vnesen cizí gen.

Ani přenos genů do laboratorně pěstovaných buněk se nepyšní nijak vysokou účinností. Buňky, u nichž se zákrok podařil, je ale možné relativně snadno vybrat a dále množit. 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 i viry, jež jsou zbaveny části svých vlastních genů, a místo nich jim lze „podvrhnout“ gen, který by člověk do buněk rád „propašoval“ (viz Vesmír 79, 127, 2000/3). Virus pak v roli „trojského koně“ provede přenos genů do buněk. Příprava virových nosičů (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“ (většinou se nepoužívají zkumavky, ale plastikové Petriho misky) byl k myším vajíčkům a spermiím přimíchán cizí gen. Výsledky experimentů Italové interpretovali tak, že spermie na sebe během několika minut navážou cizí gen, který pak při oplození vajíčka vnesou do vznikajícího zárodku.

Metoda využívající spermii jako vektor cizí dědičné informace překvapovala neuvěřitelně vysokou účinností. Cizí gen nesla asi jedna třetina narozených myší. Potíže nastaly ve chvíli, kdy se další vědecké týmy pokusily experimenty Italů zopakovat. 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 může být spermiemi přenesen gen do více než 85 % zárodků. Příčiny této nespolehlivosti nejsou známy.

Přenos genu může živočicha „postihnout“ různou měrou. Cizí gen nemusí být nutně přítomen ve všech buňkách těla zvířete. Pokud je vnášen například 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 či orgánech. O přenosu cizího genu na potomky pak rozhoduje to, do jaké míry se cizí gen dostal i do pohlavních buněk. Občas se cizí gen objeví pouze u části potomstva, v krajním případě se neobjeví vůbec.

Někdy je gen záměrně přenášen jen do některých tělesných buněk plodu nebo dospělého zvířete. V poslední době se pro tyto účely s úspěchem používala například injekce genu do svalu, průnik genu do svalových buněk lze ještě zesílit elektrickými impulzy. Zvířata nesoucí cizí gen jen v některých buňkách těla se nazývají transkaryontní.

Zvýšení růstu zvířat

V roce 1982 obletěla svět fotografie dvou myších sourozenců z titulní stránky Nature, kteří se výrazně lišili velikostí. Větší myš vděčila za svůj růst genu pro krysí růstový hormon. K tomuto genu byla připojena regulační sekvence, která syntézu krysího růstového hormonu nasměrovala do jater. Tělo myši bylo zaplaveno růstovým hormonem a zvíře zareagovalo „dramatickým růstem“, jak se psalo i v seriózních vědeckých statích. Experiment povolil uzdu fantazii, vize předních odborníků se četly jako science fiction. Zemědělství mělo zažít revoluci, která přivede do chlévů obří krávy dojící denně hektolitry mléka nebo prasata dorůstající hmotnosti několika metrických centů.

Naplnění vizí ale uvázlo na nečekaných problémech. Přestože se podařilo získat prasata, která nesla v dědičné informaci cizí gen pro růstový hormon a dokázala velká množství tohoto hormonu syntetizovat v játrech, „dramatický růst“ se nedostavil. Prasata naopak rostla hůře než ta, která nebyla genové manipulaci podrobena, trpěla totiž řadou zdravotních poruch. 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 již podařilo navodit např. u lososů, kaprů a tilapií nilských.

Další možnosti jak navodit intenzivní růst u hospodářských zvířat se zatím hledají. Velké naděje jsou vkládány do genu kódujícího myostatin – bílkovinu, která je syntetizována ve svalové tkáni a brání nadměrnému růstu svalů. Myši, jimž byl gen kódující myostatin vyřazen z činnosti, se vyznačují enormně velkými svaly (viz Vesmír 78, 708, 1999/12). Myostatin by neměl zklamat ani u hospodářských zvířat. U některých plemen skotu je extrémně vyvinuté svalstvo vyvoláno mutací genu pro myostatin, díky níž myostatin postrádá biologickou účinnost. Z tohoto faktu čerpají vědci optimizmus 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 mimořádného 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 „uvolňovací“ hormon růstového hormonu (GHRH). Tento uvolňovací hormon je v těle zvířat vylučován v hypotalamu a vyvolává uvolnění růstového hormonu z hypofýzy. U myší a prasat, jimž byl gen pro GHRH vpraven do svalu, došlo k syntéze GHRH ve svalové tkáni. Takto produkovaný hormon pak přispěl k 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. Nemám na mysli jen dramatické události, jako jsou likvidace stád prasat nakažených prasečím morem. I infekce na první pohled neškodné snižují významně užitkovost chovaných zvířat. Nepřekvapí proto shoda zemědělců a molekulárních genetiků v tom, že naléhavě potřebují vyšlechtit zvířata odolná vůči různým chorobám.

Pro naplnění těchto cílů se nabízí hned několik postupů. Jeden z nich využívá přenos vybraných virových genů do dědičné informace zvířat. K tomu jsou často používány geny pro obalové bílkoviny viru, jimiž se vir váže na povrch buněk zvířete a díky nimž 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 přispívající k odolnosti drůbeže vůči salmonelám nebo viru vyvolávajícímu Markovu chorobu.

Přenos genů může učinit zvířata odolnými i vůči nepříznivým vlivům vnějšího prostředí. Například chov lososů je omezen 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 vůči 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, což se týká zejména kravského mléka. To je významným zdrojem živin, ale zdaleka ne všichni je mohou konzumovat bez problémů. 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 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, jež 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 normálně, což svědčí o tom, 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.

Přenosem genů by bylo možné zvýšit v kravském mléce obsah laktoferinu nebo lyzozymu. Tyto 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 původní geny pro mléčné bílkoviny (např. laktalbumin, laktoglobulin) zaměněny 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 riziko těchto alergií výrazně snížila.

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 univerzit patentová práva na geny kódující bílkovinu pavoučího vlákna (viz Vesmír 75, 176, 1996/3) 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 dosud nejpevnější 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 organizmus. Mohli by jej proto využívat i lékaři pro chirurgické šití nebo pro léčení poraněných šlach. Podobných materiálů nabízí příroda nepřeberné množství.

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 vzhledem k vysokým nákladům na výstavbu a provoz kultivačních zařízení zůstává velice drahá.

Ve srovnání s těmito výrobními postupy je lidská bílkovina produkovaná transgenním zvířetem kvalitní a laciná. Několik transgenových zvířat by přitom mohlo pokrýt celosvětovou potřebu lidské bílkoviny pro účinnou léčbu nemocných (pozn. red.: viz J. Drobník, Vesmír 75, 276, 1996/5 a J. Drobník s H. Štěpánkovou 77, 696, 1998/12). Příkladem bílkovin produkovaných transgenovými zvířaty jsou lidské srážlivé faktory využívané k léčbě chorobné krvácivosti nebo obalový protein viru hepatitidy B využitelný pro výrobu vakciny. Prozatím jsou tyto bílkoviny produkovány především v mléce, ale v experimentech je ověřována možnost jejich produkce v krvi, moči nebo semenné plazmě transgenových zvířat.

Xenotransplantace

Transgenová hospodářská zvířata by také mohla produkovat farmakologicky využitelné lidské proteiny (viz Vesmír 79, 127, 2000/3) a s tím je spjata i nesmírně citlivá otázka produkce zvířecích orgánů pro transplantace nemocným lidem (viz též Vesmír 78, 92, 1999/2).

Potřeba lidských orgánů pro transplantace roste a její uspokojení představuje celosvětový problém. Hledání kvalitních náhrad se ubírá mnoha směry (viz Vesmír 79, 130, 2000/3), 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.

Velká pozornost se upírá na možnost využití prasečích orgánů jako transplantátů pro člověka. Jejich bezprostřednímu uplatnění brání prudká imunitní reakce lidského organizmu na prasečí buňky a tkáně. Mnoho biotechnologických firem se proto zaměřilo na získání transgenových prasat, jejichž orgány by tuto okamžitou prudkou odezvu imunitního systému nevyvolávaly. Toho lze dosáhnout buď přenosem vybraných lidských genů do dědičné informace prasete, nebo naopak blokováním některých prasečích genů.

Přes nesporný pokrok zatím ani největší optimisté nepředpokládají, že by první klinické zkoušky s transplantacemi orgánů transgenových prasat nemocným lidem mohly být zahájeny dříve než za čtyři roky.

Žádný strach z transgenů

Produkce transgenových zvířat s sebou nese otázky, které znepokojují především laickou veřejnost. Mnoho obav pramení pouze z malé informovanosti. Vědci rozhodně nejsou partou nezodpovědných diletantů, která by okázale ignorovala rizika spjatá s uplatněním výsledků jejich práce. Produkce a chov transgenových zvířat není v tomto směru výjimkou. Z ekologického hlediska se velká pozornost věnuje například transgenovým rybám s ohledem na rizika spojená s jejich únikem do volné přírody. Pozornost vědců se zaměřila i na zdravotní stav a pohodu transgenových zvířat.

Česká republika vypracovala v rámci zákona o geneticky manipulovaných organizmech velmi důkladný systém kontroly produkce a chovu transgenových zvířat. 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.