Перспективы использования метода zona-free при клонировании сельскохозяйственных животных

Автор: Маленко Г.П., Комиссаров А.В., Степанов О.И., Косовский Г.Ю.

Журнал: Сельскохозяйственная биология @agrobiology

Рубрика: Обзоры, проблемы

Статья в выпуске: 4 т.50, 2015 года.

Бесплатный доступ

В современной биотехнологии широко дискутируется тема создания клонов млекопитающих. В представленном обзоре на основании данных литературы и результатов собственных исследований рассмотрены успехи и проблемы трансплантации ядер соматических клеток (somatic cell nuclear transfer, SCNT), используемой для этих целей, проведен сравнительный анализ традиционной процедуры SCNT и метода zona-free nuclear transfer (zona-free NT). Основные области применения SCNT - терапевтическое и репродуктивное клонирование, получение трансгенных животных, сохранение редких и исчезающих видов, фундаментальные исследования. Так, клонирование элитных быков-производителей позволяло бы воссоздавать их уникальный генетический материал, что невозможно при естественном воспроизводстве. Однако пока что клонирование животных не получило широкого распространения. Одна из причин - низкий выход здорового молодняка, который у крупного рогатого скота, например, составляет в среднем около 9 % от числа трансплантированных клонированных эмбрионов. Считается, что отклонения в развитии плода обусловлены нарушениями, имевшимися в процессе репрограммирования ядра соматической клетки. Хотя в настоящее время предложено несколько практических подходов, позволяющих повысить эффективность метода SCNT, проблема репрограммирования ядра как фундаментальный вопрос биологии развития требует дальнейшего глубокого изучения. Кроме того, проблемой, сдерживающей практическое применение метода SCNT, остается сложность исполнения манипуляций, предусмотренных традиционной технологией, которая была предложена около 30 лет назад S.M. Willadsen (1986) и используется до настоящего времени практически в неизмененном виде. Вместе с тем существенный прогресс был достигнут при клонировании млекопитающих по так называемому zona-free NT методу, когда ооциты перед энуклеацией освобождают от блестящей оболочки. Впервые этот прием был успешно применен T.T. Peura с соавт. (1998), донорами ядер бластомеров в их работе служили эмбрионы крупного рогатого скота. Метод оказался эффективен и при использовании соматических клеток для получения клонированных эмбрионов свиньи (P.J. Booth, 2001), овцы (T.T. Peura, 2003), крупного рогатого скота (P.J. Booth с соавт., 2001), лошади (C. Galli с соавт., 2003). Zona-free NT метод был усовершенствован нами при получении клонированных эмбрионов крупного рогатого скота (Г.П. Маленко с соавт., 2006). В доступных источниках мы не встречали сообщений об использовании zona-free NT другими исследователями в России, хотя в мировой литературе признается, что по сравнению с традиционными приемами он более производителен, проще в исполнении и дает воспроизводимые результаты (I. Lagutina с соавт., 2007; B. Oback с соавт., 2007). При подготовке цитопластов энуклеация ооцитов без блестящей оболочки может проводиться без применения ядерных флуоресцентных красителей при эффективности 95-100 % и сохранении 96-97 % объема ооплазмы (M.I. Prokofiev с соавт., 2007). Частота электрослияния цитопластов без блестящей оболочки с соматическими клетками составляет 95-100 % (I. Lagutina с соавт., 2007; G.P. Malenko с соавт., 2007) по сравнению с 60-70 % при традиционном методе (I. Lagutina с соавт., 2007). Выход бластоцист оказывается равен или превышает этот показатель по сравнению с традиционным методом, результаты трасплантации также сопоставимы. Технология zona-free NT благодаря простоте исполнения и высокой результативности основных этапов рассматривается как эффективный протокол при создании клонированных эмбрионов сельскохозяйственных животных с целью получения жизнеспособного молодняка.

Еще

Трансплантация ядер соматических клеток, метод zona-free, энуклеация, электрослияние, сельскохозяйственные животные

Короткий адрес: https://sciup.org/142133604

IDR: 142133604   |   DOI: 10.15389/agrobiology.2015.4.420rus

Список литературы Перспективы использования метода zona-free при клонировании сельскохозяйственных животных

  • Illmensee K., Hoppe P.C. Nuclear transplantation in Mus musculus: Developmental potential of nuclei from preimplantation embryos. Cell, 1981, 23: 9-18 ( ) DOI: 10.1016/0092-8674(81)90265-8
  • Willadsen S.M. Nuclear transplantation in sheep embryos. Nature, 1986, 320: 63-65 ( ) DOI: 10.1038/320063a0
  • Prather R.S., Barnes F.L., Sims M.M., Robl J.M., Eyestone W.H., First N.L. Nuclear transplantation in the bovine embryo: assessment of donor nuclei and recipient oocyte. Biol. Reprod., 1987, 37: 859-866 ( ) DOI: 10.1095/biolreprod37.4.859
  • Prather R.S., Sims M.M., First N.L. Nuclear transplantation in early pig embryos. Biol. Reprod., 1989, 41: 414-418 ( ) DOI: 10.1095/biolreprod41.3.414
  • Wilmut I., Schnieke A.E., McWhir J., Kind A.J., Campbell K.H.S. Viable offspring derived from fetal and adult mammalian cells. Nature, 1997, 385: 810-813 ( ) DOI: 10.1038/385810a0
  • Cibelli J.B., Stice S.L., Golueke P.J., Kane J.J., Jerry J., Blackwell C., Ponce de Leon A., Robl J.M. Cloned transgenic calves produced from nonquiescent fetal fibroblasts. Science, 1998, 280: 1256-1258 ( ) DOI: 10.1126/science.280.5367.1256
  • Kato Y., Tani T., Sotomaru Y., Kurokawa K., Kato J.-ya., Doguchi H., Yasue H., Tsunoda Y. Eight calves cloned from somatic cells of a single adult. Science, 1998, 282: 2095-2098 ( ) DOI: 10.1126/science.282.5396.2095
  • Wakayama T., Perry A.C., Zuccotti M., Johnson K.R., Yanagimachi R. Full-term development of mice from enucleated oocytes injected with cumulus cell nuclei. Nature, 1998, 394: 369-374.
  • Baguisi A., Behboodi E., Melican D.T., Pollock J.S., Destrempes M.M., Cammuso C., Williams J.L., Nims S.D., Porter C.A., Midura P., Palacios M.J., Ayres S.L., Denniston R.S., Hayes M.L., Ziomek C.A., Meade H.M., Godke R.A., Gavin W.G., Overstrom E.W., Echelard Y. Production of goats by somatic cell nuclear transfer. Nat. Biotechnol., 1999, 17: 456-461.
  • Betthauser J., Forsberg E.G., Augenstein M., Childs L., Eilertsen K., Enos J., Forsythe T., Golueke P., Jurgella G., Koppang R., Lesmeister T., Mallon K., Mell G., Misica P., Pace M., Pfister-Genskow M., Strelchenko N., Voelker G., Watt S., Thompson S., Bishop M. Production of cloned pigs from in vitro systems. Nat. Biotechnol., 2000, 18: 1055-1059 ( ) DOI: 10.1038/80242
  • Polejaeva I.A., Chen S.H., Vaught T.D., Page R.L., Mullins J., Ball S., Dai Y., Boone J., Walker S., Ayares D.L., Colman A., Campbell K.H.S. Cloned pigs produced by nuclear transfer from adult somatic cells. Nature, 2000, 407: 86-90 ( ) DOI: 10.1038/35024082
  • Chesné P., Adenot P.G., Viglietta C., Baratte M., Boulanger L., Renard J.P. Cloned rabbits produced by nuclear transfer from adult somatic cells. Nat. Biotechnol., 2002, 20: 366-369 ( ) DOI: 10.1038/nbt0402-366
  • Galli C., Lagutina I., Crotti G., Colleoni S., Turini P., Ponderato N., Duchi R., Lazzari G. A cloned horse born to its dam twin. Nature, 2003, 424: 635.
  • Niemann H., Kues W.A. Transgenic farm animals: an update. Reprod. Fertil. Dev., 2007, 19: 762-770 ( ) DOI: 10.1071/RD07040
  • Bressan F.F., Miranda M.S., Bajgelman M.C., Perecin F., Mesquita L.G., Fantinato-Neto P., Merighe G.F.K., Strauss B.E., Meirelles F.V. Effects of long-term in vitro culturing of transgenic bovine donor fibroblasts on cell viability and in vitro developmental potential after nuclear transfer. In Vitro Cell Dev. Biol. Anim., 2013, 49: 250-259 ( ) DOI: 10.1007/s11626-013-9592-6
  • Monzani P.S., Sangalli J.R., de Bem T.H., Bressan F.F., Fantinato-Neto P., Pimentel J.R.V., Birgel-Junior E.H., Fontes A.M., Covas D.T., Meirelles F.V. Breeding of transgenic cattle for human coagulation factor IX by a combination of lentiviral system and cloning. Genet. Mol. Res., 2013, 12(AOP) ( ) DOI: 10.4238/2013.February.28.25
  • Hauschild J., Petersen B., Santiago Y., Bressan F.F., Fantinato-Neto P., Pimentel J.R.V., Birgel-Junior E.H., Fontes A.M., Covas D.T., Meirelles F.V. Efficient generation of a biallelic knockout in pig using zinc-finger nucleases. PNAS USA, 2011, 108: 12013-12017 ( ) DOI: 10.1073/pnas.1106422108
  • Niemann H., Lucas-Hahn A. Somatic cell nuclear transfer cloning: practical applications and current legislation. Reprod. Domest. Anim., 2012, 47(Suppl. 5): 2-10 ( ) DOI: 10.1111/j.1439-0531.2012.02121.x
  • Kragh P.M., Nielsen A.L., Li J., Yutao Du, Lin Lin, Schmidt M., Bøgh I.B., Holm I.E., Jakobsen J.E., Johansen M.G., Purup S., Bolund L., Vajta G. Hemizygous minipigs produced by random gene insertion and handmade cloning express the Alzheimer’s disease-causing dominant mutation APPsw. Transgenic Res., 2009, 18: 545-558 (doi 10.1007/s11248-009-9245-4).
  • Renner S., Fehlings C., Herbach N., Hofmann A., von Waldthausen D.C., Kessler B., Ulrichs K., Chodnevskaja I., Moskalenko V., Amselgruber W., Goke B., Pfeifer A., Wanke R., Wolf E. Glucose intolerance and reduced proliferation of pancreatic beta-cells in transgenic pigs with impaired glucose dependent insulinotropic polypeptide function. Diabetes, 2010, 59: 1228-1238 ( ) DOI: 10.2337/db09-0519
  • Humpherys D., Eggan K., Akutsu H., Friedman A., Hochedlinger K., Yanagimachi R., Lander E.S., Golub T.R., Jaenisch R. Abnormal gene expression in cloned mice derived from embryonic stem cell and cumulus cell nuclei. PNAS USA, 2002, 99: 12889-12894 ( ) DOI: 10.1073/pnas.192433399
  • Chavatte-Palmer P., Camous S., Jammes H., Le Cleach N, Guillomot M., Lee R.S.F. Review: Placental perturbations induce the developmental abnormalities often observed in bovine somatic cell nuclear transfer. Placenta, 2012, 33(Suppl): S99-S104 ( ) DOI: 10.1016/j.placenta.2011.09.012
  • Akagi S., Matsukawa K., Mizutani E., Fukunari K., Kaneda M., Watanabe S., Takashi S. Treatment with a histone deacetylase inhibitor after nuclear transfer improves the preimplantation development of cloned bovine embryos. J. Reprod. Dev., 2011, 57: 120-126 ( ) DOI: 10.1262/jrd.10-058A
  • Jafarpour F., Hosseini S.M., Hajian M., Forouzanfar M., Ostadhosseini S., Abedi P., Gholami S., Ghaedi K., Gourabi H., Shahverdi A.H., Taghi Vosough A.D., Nasr-Esfahani M.H. Somatic cell-induced hyperacetylation, but not hypomethylation, positively and reversibly affects the efficiency of in vitro cloned blastocyst production in cattle. Cellular Reprogramming, 2011, 13: 483-493 ( ) DOI: 10.1089/cell.2011.0005
  • Lee M.-H., Kim S.-W., Lee H.-G., Im G.-S., Yang B.-C., Kim N.-H., Kim D.-H. Trichostatin A promotes the development of bovine somatic cell nuclear transfer embryos. J. Reprod. Dev., 2011, 57: 34-42 ( ) DOI: 10.1262/jrd.10-012A
  • Su J., Wang Y., Li Y., Li R., Qian Li, Wu Y., Quan F., Liu J., Guo Z., Zhang Y. Oxamflatin significantly improves nuclear reprogramming, blastocyst quality, and in vitro development of bovine SCNT embryos. PLoS ONE, 2011, 6: e23805 ( ) DOI: 10.1371/journal.pone.0023805
  • Wang Y., Su J., Wang L., Xu W., Quan F., Liu J., Zhang Y. The effects of 5-aza-2¢-deoxycytidine and trichostatin A on gene expression and DNA methylation status in cloned bovine blastocysts. Cell Reprogram., 2011, 13: 97-306 ( ) DOI: 10.1089/cell.2010.0098
  • Oh H.J., Lee T.H., Lee J.H., Lee B.C. Trichostatin A improves preimplantation development of bovine cloned embryos and alters expression of epigenetic and pluripotency genes in cloned blastocysts. J. Vet. Med. Sci., 2012, 74: 1409-1415 ( ) DOI: 10.1292/jvms.11-0510
  • Liu J., Wang Y., Su J., Xu W., Quan F., Liu J., Zhang Y. Nuclear donor cell lines considerably influence cloning efficiency and the incidence of large offspring syndrome in bovine somatic cell nuclear transfer. Reprod. Domest. Anim., 2013, Jan 16 ( ) DOI: 10.1111/rda.12140
  • Peura T.T., Lewis I.M., Trounson A.O. The effect of recipient oocyte volume on nuclear transfer in cattle. Mol. Reprod. Dev., 1998, 50: 185-191 (doi: 10.1002/(SICI)1098-2795(199806)50:23.0.CO;2-G).
  • Booth P.J., Tan S.J., Holm P., Callesen H. Application of the zona-free manipulation technique to porcine somatic nuclear transfer. Cloning Stem Cells, 2001, 3: 191-197 ( ) DOI: 10.1089/15362300152725909
  • Peura T.T. Improved in vitro development rates of sheep somatic nuclear transfer embryos by using a reverse-order zona-free cloning method. Cloning Stem Cells, 2003, 5: 13-24 ( ) DOI: 10.1089/153623003321512120
  • Peura T.T., Vajta G. A comparison of established and new approaches in ovine and bovine nuclear transfer. Cloning Stem Cells, 2003, 5: 257-277 ( ) DOI: 10.1089/153623003772032772
  • Booth P.J., Tan S.J., Reipurth R., Holm P., Callesen H. Simplification of bovine somatic cell nuclear transfer by application of a zona-free manipulation technique. Cloning Stem Cells, 2001, 3: 139-150 ( ) DOI: 10.1089/153623001753205098
  • Peura T.T., Lane M., Vajta G., Trounson A.O. Cloning of bovine embrуos from vitrified donor blastomeres. J. Reprod. Fertil., 1999, 116: 95-101 ( ) DOI: 10.1530/jrf.0.1160095
  • Peura T.T., Lane M., Levis I., Trounson A.O. Development of bovine embryo-derived clones after increasing rounds of nuclear recycling. Mol. Reprod. Dev., 2001, 58: 384-389 (doi: 10.1002/1098-2795(20010401)58:4%3C384::AID-MRD5%3E3.0.CO;2-N).
  • Oback B., Wells D.N. Cloning cattle. Cloning Stem Cells., 2003, 5: 243-256 ( ) DOI: 10.1089/153623003772032763
  • Oback B., Wiersema A.T., Gaynor P., Laible G., Tucker F.C., Oliver J.E., Miller A.L., Troskie H.E., Wilson K.L., Forsyth J.T., Berg M.C., Cockrem K., McMillan V., Tervit H.R., Wells D.N. Cloned cattle derived from a novel zona-free embryo reconstruction system. Cloning Stem Cells, 2003, 5: 3-12 ( ) DOI: 10.1089/153623003321512111
  • Маленко Г.П., Прокофьев М.И., Пинюгина М.В., Антипова Т.А., Мезина М.Н., Букреев Ю.М. Получение клонированных эмбрионов крупного рогатого скота путем пересадки соматических клеток в энуклеированные ооциты без зоны пеллюциды. Известия РАН. Серия биологическая, 2006, 3: 284-291.
  • Oback B., Wells D.N. Cloning cattle: The methods in the madness. Adv. Exp. Med. Biol., 2007, 591: 30-57 ( ) DOI: 10.1007/978-0-387-37754-4_3
  • Lagutina I., Lazzari G., Duchi R., Turini P., Tessaro I., Brunetti D., Colleoni S., Crotti G., Galli C. Comparative aspects of somatic cell nuclear transfer with conventional and zona-free method in cattle, horse, pig and sheep. Theriogenology, 2007, 67: 90-98 ( ) DOI: 10.1016/j.theriogenology.2006.09.011
  • Bordignon V., Smith L.C. Telophase enucleation: an improved method to prepare recipient cytoplasts for use in bovine nuclear transfer. Mol. Reprod. Dev., 1998, 49: 29-36 (doi: 10.1002/(SICI)1098-2795(199801)49:1%3C29::AID-MRD4%3E3.3.CO;2-T).
  • Dominko T., Chan A., Simerly C., Luetjens C.M., Hewitson L., Martinovich C., Schatten G. Dynamic imaging of the metaphase II spindle and maternal chromosomes in bovine oocytes: implications for enucleation efficiency verification, avoidance of parthenogenesis, and successful embryogenesis. Bio. Reprod., 2000, 62: 150-154 ( 10.1095/biolreprod62.1.150) DOI: 10.1095/?biolreprod62.1.150
  • Jeon B.-G., Betts D.H., King W.A., Rho G.-J. In vitro developmental potential of nuclear transfer embryos cloned with enucleation methods using pre-denuded bovine oocytes. Reprod. Dom. Anim., 2011, 46: 1035-1042 ( ) DOI: 10.1111/j.1439-0531.2011.01781.x
  • Li G.-P., White K.L., Bunch T.D. Review of enucleation methods and procedures used in animal cloning: State of the art. Cloning Stem Cells, 2004, 6: 5-13 ( ) DOI: 10.1089/15362300460743781
  • Kim E.Y., Park M.J., Park H.Y., Noh E.J., Noh E.H., Park K.S., Lee J.B., Jeong C.J., Riu K.Z., Park S.P. Improved cloning efficiency and developmental potential in bovine somatic cell nuclear transfer with the oosight imaging system. Cell Reprogram., 2012, 14: 305-311 ( ) DOI: 10.1089/cell.2011.0103
  • Vajta G., Lewis I.M., Hyttel P., Thouas G.A., Trounson A.O. Somatic cell Cloning without micromanipulators. Cloning, 2001, 3: 89-95 ( ) DOI: 10.1089/15204550152475590
  • Vajta G., Lewis I.M., Trounson A.O., Purup S., Maddox-Hyttel P., Schmidt M., Pedersen H.G., Greve T., Callesen H. Handmade somatic cell cloning in cattle: analysis of factors contributing to high efficiency. Biol. Reprod., 2003, 68: 571-578 ( ) DOI: 10.1095/biolreprod.102.008771
  • Vajta G., Maddox-Hyttel P., Skou C.T., Tecirlioglu R.T., Peura T.T., Lai L., Murphy C.N., Prather R.S., Kragh P.M., Callesen H. Highly efficient and reliable chemically assisted enucleation method for handmade cloning in cattle. Reprod. Fertil. Dev., 2005, 17: 791-797 ( ) DOI: 10.1071/RD05066
  • Galli C., Lagutina I., Vassiliev I., Duchi R., Lazzari G. Comparison of microinjection (piezo-electric) and cell fusion for nuclear transfer success with different cell types in cattle. Cloning Stem Cells, 2002, 4: 189-196 ( ) DOI: 10.1089/15362300260339476
  • Li G.-P., Bunch T.D., White K.L., Rickords L., Liu Y., Sessions B.R. Denuding and centrifugation of maturing bovine oocytes alters oocyte spindle integrity and the ability of cytoplasm to support parthenogenetic and nuclear transfer embryo development. Mol. Reprod. Dev., 2006, 73: 446-451 ( ) DOI: 10.1002/mrd.20436
  • Malenko G.P., Stepanov O.I., Komissarov A.V., Antipova T.A., Pinyugina M.V., Prokofiev M.I. Efficiency of asynchronously in vitro-matured oocytes as recipients for nuclear transfer and of blind enucleation in zona-free bovine cloning. Cloning Stem Cells, 2009, 11: 287-292 ( ) DOI: 10.1089/clo.2007.0090
  • Prokofiev M.I., Stepanov O.I., Komissarov A.V., Antipova T.A., Pinyugina M.V., Malenko G.P. Blind enucleation of oocytes is highly efficient in zona-free bovine cloning. Reprod. Fertil. Dev., 2007, 19: 156-157 ( ) DOI: 10.1071/RDv19n1Ab78
  • Gaynor P., Wells D.N., Oback B. Couplet alignment and improved electrofusion by dielectrophoresis for a zona-free high-throughput cloned embryo production system. Med. Biol. Eng. Comput., 2005, 43: 150-154 ( ) DOI: 10.1007/BF02345137
  • Carolan C., Lonergan P., Khatir H., Mermillod P. In vitro production of bovine embryos using individual oocytes. Mol. Reprod. Dev., 1996, 45: 145-150 (doi: 10.1002/(SICI)1098-2795(199610)45:2%3C145::AID-MRD6%3E3.0.CO;2-T).
  • Hagemann L.J., Weilert L.L., Beaumont S.E., Tervit R.H. Development of bovine embryos in single in vitro production (SIVP) systems. Mol. Reprod. Dev., 1998, 51: 143-147 (doi: 10.1002/(SICI)1098-2795(199810)51:2%3C143::AID-MRD3%3E3.0.CO;2-Q).
  • Hagemann L.J., Beaumont S.E., Berg M., Donnison M.J., Ledgard A., Peterson A.J., Schurmann A., Tervit H.R. Development during single IVP of bovine oocytes from dissected follicles: interactive effects of estrous cycle stage, follicle size and atresia. Mol. Reprod. Dev., 1999, 53: 451-458 (doi: 10.1002/(SICI)1098-2795(199908)53:4%3C451::AID-MRD11%3E3.0.CO;2-3).
  • Vajta G., Peura T.T., Holm P., Paldi A., Greve T., Trounson A.O., Callesen H. New method for culture of zona-free embryos: the well of the well (WOW) system. Mol. Reprod. Dev., 2000, 55: 256-264 (doi: 10.1002/(SICI)1098-2795(200003)55:3%3C256::AID-MRD3%3E3.0.CO;2-7).
  • Nagy A., Rossant J. Production and analysis of ES cell aggregation chimeras. In: Practical approach series: Gene targeting/A.L. Joyner (ed.). Oxford University Press, Oxford, 1993: 177-206.
  • Wood S.A., Allen N.D., Rossant J., Auerbach A, Nagy A. Non-injection methods for the production of embryonic stem cell-embryo chimaeras. Nature, 1993, 365: 87-89 ( ) DOI: 10.1038/365087a0
  • Lopes A., Ottosen L.D.M., Greve T., Callesen H. Microsensor oxygen measurements around in-vitro developing cattle embryos: preliminary observations. Theriogenology, 2003, 59: 345.
  • Zhang P., Liu P., Dou H., Chen L., Chen L., Lin L., Tan P., Vajta G., Gao J., Du Y., Ma R.Z. Handmade cloned transgenic sheep rich in omega-3 fatty acids. PLoS ONE, 2013, 8(2): e55941. Epub 2013 Feb 20 ( ) DOI: 10.1371/journal.pone.0055941
Еще
Статья обзорная