Gene Editing to Innovate Norwegian Breeding Industries

Noen av ambisjonene i dette prosjektet er å utvikle ressursene og kompetansen som muliggjør genredigering (GE) i ulike arter. Genredigering er et fagfelt i rask utvikling og nye teknologier og tilnærminger publiseres ofte. GENEinnovate-prosjektet har som mål å utvikle de essensielle ressursene, kunnskapen og kompetansen som kreves for å implementere genredigering (GE) i de fire artene i prosjektet, og utføre GE under kontrollerte eksperimentelle forhold for å utføre «proof-of-principle»-forsøk. Utvikling av ressurser (WP1) er synonymt med alle aktiviteter i WP2, 3 og 4, og gjenspeiles derfor i de følgende arbeidspakkene. Den opprinnelige planen for arten svin var å bruke GE til å utforske spesifikke aspekter knyttet til produksjon av svin; nemlig rånesmak. Imidlertid viste dette seg å være et vanskelig spørsmål å utforske på grunn av manglende fenotype til å oppdage en effekt av GE på egenskapen i celler. Vi flyttet derfor fokus mot diarè forårsaket av E.coli-bakterier. Diarè forårsaker tidvis store tap og dyrevelferdsproblemer og er veldig relevant for næringa. Vi tok i bruk en tilnærming (CRISPR genom-screening) som ville tillate oss å screene for gener assosiert med problemet uten noen a priori antagelser (dvs. kandidatgener). Et CRISPR-biblioteket for svin, som inneholder mer eller mindre all genominformasjon som er tilgjengelig, ble designet og produsert. Videre ble det utviklet en fenotype på E.coli hemolysin i tarmepitelceller fra gris som er toksisk og kan brukes til screening. Screening viste to gener var signifikant overrepresentert i celler etter eksponering for hemolysin. Disse genene har blitt verifisert i etterkant. Etter et vellykket screen med E.coli, ble CRISPR-biblioteket benyttet til et screen med porcine circovirus PCV2. Resultater herfra er under prosessering. Også for storfe bestemte vi oss tidlig i prosjektet for å bytte fokus, fra planen om eliminering av horn hos storfe til en virsusykdom som er relevant for arten. Selv om det eksisterer flere genkandidater som er egnet for redigering, ble de praktiske vanskelighetene knyttet til måling av fenotypen (horn vs. ingen horn) veldig vanskelig å utføre in vitro. Fokus ble derfor flyttet til bovint viralt diarévirus (BVDV), som forårsaker en rekke forbigående infeksjoner som igjen fører til store konsekvenser for helse, dyrevelferd og økonomi. Samme metode som i WP2 ble benyttet. Utviklingen av et CRISPR-bibliotek for storfe er ferdigstilt og har blitt produsert gjennom prosjektet. Screeningen ble utført i samarbeid med Universisty of Veterinary Medicine Vienna hvor de allerede hadde utviklet en avansert modell for screening av BVDV i cellekultur. Analyser viser at flere gener som er viktige for at BVDV entrer celler er signifikant i cellene som overlevde viruset og videre analyser og verifisering av resultater pågår. Arbeidet med genredigerte laks har vært fokusert på bruk av GE for filetfarge samt resistens mot lus. Eksperimenter med in vivo mikroinjeksjon av lakseembryo har blitt optimalisert. Ved hjelp av både transkriptomanalyser og mikroskopidata av tre CRISPR knock-out linjer generert i prosjektet har gode kandidater for luseresistens blitt identifisert til GE. Videre har GE in vivo bevist funksjonelle kandidatgener for filetfarge hos laks. En ny cellelinje fra laks har blitt etablert som vil tillate in vitro studier i immortaliserte primærceller. Dette vil være viktig for framtidige studier med patogener. I rapporteringsperioden har det blitt oppnådd store gjennombrudd for planter (WP5) når det kommer til selve genoverføringen, noe som er utfordrende på planter. Det er i perioden blitt utviklet en ny direkte metode for genoverføring, noe som gjør in vivo-genoverføring i stedet for in vitro-overføring mulig. Protokoller for genotypeuavhengighet i fire forskjellige potetsorter er testet, og det er oppnådd lovende resultater i både Nansen- og Desiree. Metoden har blitt brukt til identifisering av resistensgener som er viktige for tørråteresistens. I arbeidspakken på juridiske, etiske og samfunnsmessige aspekter ved genredigering har resultatene fra forbrukerundersøkelsen blitt publisert og det har vært særlig stor interesse for funnene fra ulike europeiske organisasjoner som EPSO (European Plant Science Organisation), EFFAB (European Forum of Farm Animal Breeders) og flere forskningsinstitusjoner / stakeholder forums for EU-prosjekter. Undersøkelsen vår har også blitt brukt som grunnlag for en lignende undersøkelse gjort i Sverige i regi av Statens Landbruksuniversitet (SLU) og Gentekniknämnden. Videre har det blitt arrangert møte for å vise resultater fra prosjektet og invitert til paneldebatt for diskusjon rundt GE. Resultater fra prosjektet har også hatt innvirkning på norsk lovforslag fra Genteknologiutvalget som ble skrevet i slutten av prosjektperioden. Deltakelse i flere møter og debatter samt bidrag til mange artikler i media har gjort at prosjektet har bidratt sterkt til diskusjonen rundt GE i Norge.

Before the project started, there was a large knowledge gap on gene editing related to breeding in Norway. The research activities of this project have given valuable experience with gene editing, the steps and techniques involved, and a good overview of the possibilities and challenges of gene editing in general and for different species spesifically. The project group has provided a network and broad competence for future activities related to gene editing. The broad and open discussions have been very fruitful and have fueled discussions of policy. The project has provided a good knowledge base for developing a strategy for gene editing going forward in the breeding organizations. Implementation of gene editing in Norwegian agri- and aquaculture depends on several societal factors, in particular the regulatory landscape and on public acceptance. The project has had major impact on the public dialogue on gene editing in Norway and Europe. During the of the project, in light of technological and scientific developments and the findings in the survey, the industry partners have developed and articulated their principal positions on genome editing to promote transparency and clarity towards the public, policymakers and the food value chain. The dissemination of results and knowledge through a large number of presentations and publicly available articles has contributed to society at large being more familiar with gene editing.

Norwegian livestock, fish and plant breeding organizations sell genetic material (eggs, semen and seeds/plants) in a competitive global market and are under constant pressure from producers, food manufacturers, and consumers to develop innovative products. Traditional breeding methods, optimized to give small changes in many genes rather than fast changes in few, deliver steady but slow progress, and are limited by genetic variation present in the breeding population. Gene-editing (GE) technology can be used to precisely modify genes, introduce new genetic variation, or boost/repress existing variation in a population that would otherwise be difficult to select for (e.g. low frequency variants). This project will use GE (CRISPR/Cas9) to validate potential functional genetic variants associated with important industry concerns, and explore the societal, ethical and legal aspects of GE usage in production biology. This will be done with a view towards establishing responsible, effective frameworks for the future production of GE'ed genetic material with high commercial potential. Specific R&D challenges from the industry partners include (i) reducing boar taint in pigs, (ii) generating salmon with superior fillet color and resistance to sea lice, (iii) promoting the polled (hornless) mutation and improved fertility in cattle, and (iv) enhanced resistance to late blight in Norwegian potatoes. Expected scientific outcomes are, at the least, building technical expertise with GE across a range of species and challenges, and evaluating the role of specific genetic variants in these problem traits. Additionally, results we produce can improve current marker-assisted selection approaches to breeding. The project includes activity to engage with stakeholders, gauge public opinion, and monitor legal progress relating to GE usage in the bioindustry, and to communicate project aims and results in a transparent way to build understanding and trust in this powerful new technology.