돼지의 체세포 핵이식(Somatic cell nuclear transfer,SCNT)은 인간에게 약리적 효과가 있는 단백질, 이종 간 장기이식(xenotransplantation)에 사용되는 장기, 질병 연 구 목적의 모델 동물을 제공한다. 특히 형질전환 돼지를 활용한 심장 이식이 세계 최초로 성공한 후 형질전환 돼 지 생산의 안정화는 다음 연구를 위한 중요한 점으로 대 두되고 있으나, 미니돼지의 체세포 핵이식 배아의 생산 효율은 아직 낮은 실정이다. 형질전환의 성공은 양질의 SCNT 배아 생산에서 시작되어야 한다. 이러한 SCNT 배 아의 생산 효율을 향상할 수 있는 요인 중에는 공여 세포 의 형태가 있으며, 성공적인 공여 세포의 생산을 위해서 는 종축에 따른 세포의 특성을 파악하여야 하고, 혈액형 의 차이에서 발생하는 문제점 해결을 위해 OO 타입의 선 별이 필요하다. 본 연구에서는 지속적인 계대 배양을 통 하여 공여 세포로 사용되는 미니돼지의 태아섬유아세포의 계대 배양 조건을 확립하고자 한다. 또한 미니돼지의 혈 액형을 PCR 기반으로 분석하여 분류하고 OO 타입의 선 별을 통하여 이종 간 이식에 용이하게 공여 세포의 조건 을 확립하였다. 이후 sgRNA(single guide RNA)를 사용하 여 CRISPR-Cpf1로 GGTA1(α-1,3 galactosyl-transferase) 유전자를 knock-out 한 미니돼지의 생산으로, 급성면역반 응을 유발하는 Gal(1,3)Gal epitope이 제거된 미니돼지의 세포 주를 구축 및 체세포 핵이식을 통해 GGTA1 knock-out 미니돼지를 생산하였으며, 이러한 연구는 이후 체세포 핵이식 및 이종 간 장기이식에 중요한 기초자료로 사용될 것이라고 생각된다.

조직 플라스미노겐 활성제(Tissu-type plasminogen activator; tPA)는 혈전 용해제로 이용되고 있으며, 주로 심근경색증과 같은 급성 혈전후성 허혈증 등을 치료하는 데 유용하다. 본 연구에서는 혈관 질환 치료제를 생산하기 위하여 체세포 복제를 이용한 htPA 를 발현하는 형질전환 복제 돼지를 생산하였다. 형질전환 복제란 8,026 개를 25 두의 대리모에(321 개/1 두) 이식하였으며, 25 두 중 6 두의(24%) 대리모가 자연분만으로 19 두의(3.2 두/1 두) 산자를 생산하였다. 19 두 중 1 두가(1/19 두, 5.3%) 생존 중에 있으며, 8 두는 사산 개체였고(8/19 두, 42.1%), 10 두는 출생 후 2-3 일내에 폐사하였다(10/19 두, 52.6%). 폐사 개체들은 혀 기형, 구개열 등 안면기형이 관찰되었으며, 이와 함께 관절 혹은 발굽의 모양이 비정상적이라는 것을 확인하였다. 또한, 폐사개체들은 모두 하나 이상의 문제점을 동시에 가지고 있음을 확인하였다. 따라서, 이러한 문제점들이 형질전환에 의한 것인지, 아니면 복제에 의한 것인지를 규명하기 위해 연구를 더 진행해야 할 것으로 사료된다.조직 플라스미노겐 활성제(Tissu-type plasminogen activator; tPA)는 혈전 용해제로 이용되고 있으며, 주로 심근경색증과 같은 급성 혈전후성 허혈증 등을 치료하는 데 유용하다. 본 연구에서는 혈관 질환 치료제를 생산하기 위하여 체세포 복제를 이용한 htPA 를 발현하는 형질전환 복제 돼지를 생산하였다. 형질전환 복제란 8,026 개를 25 두의 대리모에(321 개/1 두) 이식하였으며, 25 두 중 6 두의(24%) 대리모가 자연분만으로 19 두의(3.2 두/1 두) 산자를 생산하였다. 19 두 중 1 두가(1/19 두, 5.3%) 생존 중에 있으며, 8 두는 사산 개체였고(8/19 두, 42.1%), 10 두는 출생 후 2-3 일내에 폐사하였다(10/19 두, 52.6%). 폐사 개체들은 혀 기형, 구개열 등 안면기형이 관찰되었으며, 이와 함께 관절 혹은 발굽의 모양이 비정상적이라는 것을 확인하였다. 또한, 폐사 개체들은 모두 하나 이상의 문제점을 동시에 가지고 있음을 확인하였다. 따라서, 이러한 문제점들이 형질전환에 의한 것인지, 아니면 복제에 의한 것인지를 규명하기 위해 연구를 더 진행해야 할 것으로 사료된다.

이종이식 시 사람과 돼지는 면역학 적으로 일치하지 않으므로, 면역세포의 활성화 및 조직의 병변 등을 유발한다. 특히, 영장류에는 존재하지 않고 돼지의 전 조직에서 발현되는 alpha-gal 인자에 의해, 이종이식 시 alpha-gal 항원에 대한 항체의 급격한 증가로 거부반응이 유발되며 영장류를 사망에 이르게 한다. 이에, 본 연구는 alpha-gal 합성에 관여하는 효소인 alpha-galactosyltransferase를 knock out(Gal-/-)한 돼지의 세포를 기반으로, 보체의 활성을 조절하는 membrane cofactor protein(MCP)과 혈액 응고를 저해하는 thrombomodulin(TBM)의 과발현을 유도하고자 하였다. 이는, 이종이식 시 발생하는 염증반응과 혈액응고 현상을 억제하는 복합형질 전환 돼지를 개발함으로 이종이식 후의 생존성 향상에 기여하고자 하였다. 따라서 codon modification 을 통해 염기서열을 변형한 MCP cDNA 는 CAG 프로모터를 이용하여 전 조직에서 발현되도록 하였고, TBM 은 Icam2 프로모터를 통해 혈관 내피세포 특이적인 발현을 유도하였다. 제작된 벡터를 Gal-/- 돼지의 섬유아세포에 도입하고 MCP 발현 수준이 높은 세포를 선별하여 세포주를 구축하였다. 구축된 체세포를 이용하여 체세포 복제란을 생산하고 외과적 방법으로 수란 돈에 이식하였다. 체외성숙(78%) 한 난자를 복제 및 융합(58%)한 후 4 두의 대리모에 각각 약 310 개의 복제란을 이식하였다. 대리모 1 두에서 임신(25%) 및 분만(25%)에 성공하였으며, 9 두의 산자 중 6 두가 생존하고 3 두는 사망하였다. 본 연구에서 생산된 TBM 유전자가 도입된 형질전환 복제돼지는 증식과정을 통해 축군을 조성하고 향후 영장류를 활용한 이종이식 연구에 활용될 예정이다.

Pig has been known to be one of the most feasible animals as a bioreactor to produce pharmaceuticals in milk and as a mediator in xenotransplantation research. Previously, we generated transgenic pigs for both purposes, which were expressing Factor 8, vWF, hTPA, and hEPO in milk, along with expression of MCP at GalT gene locus (GalT-MCP/-MCP) as well as expressing MCP at GalT gene loci with CD73 expression (GalT-MCP/+/CD73). In this study, we performed comparative analyses of sperm parameters between wild type male (WT) pig and those transgenic males to examine the effects of transgenes integrated into the pigs on motility, morphology, viability, and acrosome integrity of the spermatozoa. Our results showed that the rates of actively motile spermatozoa of WT, Factor 8, vWF, hTPA, hEPO, GalT-MCP/+/CD73, and GalT-MCP/-MCP pigs were 85.0%, 83.3%, 82.5%, 83.3%, 82.5%, 77.5%, and 78.7%, respectively. Whereas, the rates of morphologically normal spermatozoa of WT, Factor 8, vWF, hTPA, hEPO, GalT-MCP/+/CD73, and GalT-MCP/-MCP pigs were 90.0%, 80.0%, 80.0%, 83.3%, 85.0%, 91.8%, and 80.8%, respectively. In addition, the viability in spermatozoa of WT, Factor 8, vWF, hTPA, hEPO, GalT-MCP/+/CD73, and GalT-MCP/-MCP pigs were 93.9%, 82.4%, 89.9%, 83.9%, 87.4%, 92.8%, and 83.6%, respectively. The rates of spermatozoa with normal acrosome integrity in WT, Factor 8, vWF, hTPA, hEPO, GalT-MCP/+/CD73, and GalT-MCP/-MCP pigs were 98.1%, 98.6%, 98.6%, 98.7%, 98.1%, 99.5%, and 95.1%, respectively. There were no significant differences in motility, morphology, viability, and acrosome integrity of the spermatozoa among WT, Factor 8, vWF, hTPA, and hEPO, GalT-MCP/+/CD73, and GalT-MCP/-MCP pigs. These mean that neither random integration nor targeted integration of the transgene into chromosome of pig effect on characteristics of spermatozoa. Ultimately, the transgenic male pigs subjected in this study could apply to propagate their progenies for production of human therapeutic proteins and advancing the xenotransplantation research.

Pigs have been extensively used as mediators of xenotransplantation research. Specifically, the Massachusetts General Hospital (MGH) miniature pig was developed to fix major histocompatibility antigens for use in xenotransplantation studies. We generated transgenic pigs for xenotransplantation using MGH pigs. However, it has not been studied yet whether these pigs show similarity of reproductive physiological characteristics to wild types of MGH miniature pig. In this study we analyzed the estrous cycles and pregnancy characteristics of wild type (WT) and transgenic MGH miniature pigs, which were α1,3-galactosyltransferase (GalT) heterozygous and homozygous knock-out, and membrane cofactor protein (MCP) inserted in its locus, GalT-MCP/+ and GalT-MCP/-MCP pigs. Estrous cycles of WT, GalT-MCP/+ and GalT-MCP/-MCP pigs were 20.9±0.74, 20.1±1.26, and 17.3±0.87 days, respectively, and periods of estrous were 3.2±0.10, 3.1±0.12, and 3.1±0.11 days. The periods of gestation of WT, GalT-MCP/+ and GalT-MCP/-MCP pigs were 114.2±0.37, 113.3±0.67, and 115.4±0.51 days, respectively. Litter sizes of WT, GalT-MCP/+ and GalT-MCP/-MCP pigs were 4.8±0.35, 4.8±1.11 and 3.0±0.32 respectively. There were no significant differences on estrous cycle, periods of estrous and gestation, and litter size among WT, GalT-MCP/+ and GalT-MCP/-MCP pigs, meaning that GalT knock-out and additional expression MCP of the MGH miniature pig did not effect on reproduction traits. These results provide relevant information to establish breeding system for MGH transgenic pig, and for propagation of GalT-MCP/-MCP pig to supply for xenotransplantation research.

Transplantation is considered to be a very useful approach to improve human welfare and to prolong life-span. Heterologous organ transplantation using pig organs which are similar to human beings and easy to make mass-production has known as one of the alternatives. To ensure potential usage of the pig organ for transplantation application, it is essentially required to generate transgenic pig modifying immuno-related genes. Previously, we reported production of heterozygous α 1,3-galactosyltransferase (GalT) knock-out and human membrane cofactor protein (MCP) expressing pig (GalT-MCP/+), which is enforced for suppression of hyperacute and acute immunological rejection. In this study, we reported generation of homozygous pig (GalT-MCP/-MCP) by crossbreeding GalT-MCP/+ pigs. Two female founders gave birth to six of GalT-MCP/-MCP, and seven GalT-MCP/+ pigs. We performed quantitative real-time PCR, western blot, and flow cytometry analyses to confirm GalT and MCP expression. We showed that fibroblasts of the GalT-MCP/-MCP pig do not express GalT and its product Gal antigen, while efficiently express MCP. We also showed no expression of GalT, otherwise expression of MCP at heart, kidney, liver and pancreas of transgenic pig. Taken together, we suggest that the GalT-MCP/-MCP pig is a useful candidate to apply xenotransplantation study.

Transgenic pigs are promising donor organisms for xenotransplantation as they share many anatomical and physiological characteristics with humans. Recently, a step has been moved closer to xenotransplantation by producing genetically modified pigs that has no α-1,3-Gal epitope, the major xenoantigens triggering HAR of pig to primate xenografts. Further genetic modifications such as expression of human complementary regulatory proteins, CD39, endothelial protein C receptor, heme-oxygenase 1, thrombomodulin, tissue factor pathway inhibitoras well as modulators of the HLA-E/β-2-microglobulin, and CTLA-4Ig are due to address for further rejection mechanisms and incompatibilities between porcine and primate blood coagulation systems. Although the pig is the favored species for use as a xenograft donor, a detailed description of the transgenic pig development and surgical technique is lacking which seems mandatory to address for broader understanding of this issue.

혈액응고 제 8인자(FVIII)는 혈액 내 존재하는 당단백질의 하나로, 혈액응고의 내인성 기 작에 기능한다. 이러한 FVIII의 결핍은 A형 혈우병을 야기하는 것으로 알려져 있으며, A형 혈우병 환자는 FVIII의 지속적인 주사에 의해 치료되고 있다. 본 연구는 A형 혈우병의 치료 제로써 활용 가능한 B-domain이 변형된 재조합 인간 혈액응고 제 8인자 (dB747)를 유즙으 로 분비하는 형질전환 돼지의 유즙으로부터 크로마토그래피적인 방법으로 dB747의 효율 적 인 정제를 위한 방법을 제공하기 위하여 수행되었다. 연구는 dB747을 유즙으로 발현하는 형질전환 돼지의 유즙을 착유하여 원심분리를 통해 지질과 불순물을 제거하고, 유즙 내 복 합적으로 존재하는 수 많은 단백질을 분획하기 위한 전처리 과정으로써 일반적으로 유즙 단백질을 침전시킨다고 알려진 zinc chloride, calcium chloride와 일반적인 단백질 침전에 널리 이용되는 ammonium sulfate를 농도 별로 처리하여 분획의 정도를 확인하였다. 전처 리 과정을 통해 분획된 유즙을 이용하여 음이온 교환 크로마토그래피, 친화 크로마토그래피 방 법으로 정제하였다. 음이온 교환 크로마토그래피는 혈장 유래의 FVIII을 정제하는데 유리하 다고 알려진 Q sepharose FF 컬럼을 이용하여 대표적인 두 가지 sodium acetate와 sodium citrate buffer의 효과를 비교하였다. 또한, 친화 크로마토그래피는 B-domain이 결여된 재조합 인간 혈액응고 제 8인자(BDDrFVIII)을 정제하는데 이용 가능하다고 알려진 펩타이드 TN8.2와 EYHSWEYC를 리간드로 사용한 컬럼을 제작하여 수행하였다. 그 결과, dB747이 포함된 형질전환 돼지의 유즙을 분획하기 위해서는 ammonium sulfate의 연속적인 처리를 통해 포화도 30%의 상층액을 회수하여 포화도 50%가 되도록 ammonium sulfate를 첨가하 였을 때 생성되는 pellet을 이용하는 것이 가장 효율적인 것으로 나타났다. 효율적인 전처리 과정을 거친 유즙을 이용한 크로마토그래피 결과, 혈장 유래의 FVIII의 정제에 대한 이전의 보고와는 다르게 dB747의 회수율과 순도가 낮았다. EYHSWEYC를 이용한 친화 크로마토 그래피의 경우, 알려진 것과는 다르게 dB747과 결합하지 않는 것으로 확인되었으며, TN8.2 를 이용한 친화 크로마토그래피 역시 dB747를 정제하는데 이용하기 어려웠다. 또한, 크로 마토그래피 용출액 내에 20～40 kDa의 단백질이 나타나는 것을 확인하였으며, 이는 문헌 조사를 통해 카제인으로 유추할 수 있었다. 이러한 결과는 dB747이 B-domain 영역이 변형 되는 과정에서 기존의 FVIII 또는 BDDrFVIII과 단백질의 성질이 달라짐으로써 기존에 알려 진 정제 조건이 알맞지 않기 때문에 회수율과 순도가 낮았던 것으로 사료된다. 따라서 dB747의 성질을 이해하고 최적화된 크로마토그래피 조건을 확립하기 위한 연구가 필요할 것이다. 또한, 카제인과 같은 유즙 단백질이 크로마토그래피 용출액에서 나타나는 것으로 보아, 유즙 단백질은 음이온 교환 크로마토그래피나 친화 크로마토그래피에 의해 제거되지 않음을 확인할 수 있었다. 그러므로 초기 전처리 단계에서 유즙 단백질을 제거하기 위한 방 법의 연구가 유즙 내 목적 단백질을 정제하는데 있어서 중요한 문제가 될 것이다.

유즙 내에 들어있는 유용 단백질을 분리, 정제하였을 때 예상되는 경제적 가치 때문에 우 리는 유즙 내에 들어있는 재조합 hEPO 단백질을 추출하고 정제하려는 많은 시도를 하고 있다. 이러한 노력에도 불구하고 유즙 내에 들어있는 target 단백질의 정제가 매우 어렵고, 그 순도 역시 20%에 지나지 않는다. 우리는 hEPO 유전자를 가지고 있으며 유선에서 hEPO를 분비하는 형질전환 돼지를 생산 보유하고 있다. 그러나, 이들 형질전환 돼지들은 체내에 도입된 유전자의 발현에 의해 야기되는 적혈구 과다증 그리고 혈소판 감소증과 같 은 순환기의 문제가 유발되고 있다. 명백하게, 이러한 종류의 혈액학적 변화는 장기의 정상 적인 기능을 방해하며 형질전환 돼지의 갑작스런 죽음을 초래한다. 그러므로, 앞서 언급한 문제점들을 해결하기 위한 alternative한 방법이 필요하다. 현재 연구에서, 우리는 외인성 hEPO를 발현하는 돼지에서 비정상의 생리학적 증후에 관해서 실험하였으며 hEPO를 생산 하기 위한 alternative choice로서 형질전환 돼지 유래 세포의 배양 system을 제안하였다. 5마리의 F6 hEPO 형질전환 돼지와 4마리와 대조군으로 일반돼지(랜드레이스)를 국립축 산과학원 동물바이오공학과에서 사육 도축하고 순환 장기를 채취하였다. 형질전환 돼지 순 환기 조직(유선, 신장, 폐, 비장)을 계대 배양 후 hEPO mRNA의 발현을 RT-PCR 방법으로 분석하였다. 또한, 면역조직화학 염색법을 통해서 hEPO 형질전환돼지 순환 장기조직에서 발현되는 hEPO의 발현 양상을 분석한 결과로서 유선, 신장 및 폐 조직에서 hEPO의 발현 이 확인되었으나, hEPO 발현 양상이 모든 형질전환동물 조직에서 발현되는 경향을 보이지 는 않았다. 한편, 세포면역화학 분석법에서는 형질전환돼지 유래 세포의 배양 시 hEPO가 발현되고 있는 양상을 확인하였다. 또한, 형질전환 돼지와 일반돼지의 세포 증식률과 증식 속도는 신장 세포에서는 빠른 증식을 나타낸 반면, 폐와 비장 세포에서는 느린 증식률이 확 인되었다. 배양 후 지속적인 세포 증식과 세포의 생존성을 분석하기 위하여 Apoptosis를 TUNEL과 Annexin V를 이용한 방법으로 조사한 결과, 형질전환돼지 유래의 세포와 일반돼 지의 세포 사이에 유의적 차이는 발견하지 못했다. 이들의 결과들로서 본 연구에서는 형질 전환돼지를 생산하여 유용 단백질을 이용하고자 할 경우, 목적으로 하는 세포 뿐 만 아니라 형질전환가축 유래의 다양한 세포를 이용 할 수 있는 가능성을 시사하고 있다.

This study was conducted to analyze the transgenic efficiency and sex ratio in -1,3-galactosyltransferase (GalT) knock-out (KO) transgenic pigs according to generation. GalT KO piglets were produced by artificial insemination or natural mating. The transgenic confirmation of GalT KO was evaluated by PCR amplification using specific primers. After electrophoresis, three types of bands were detected such as 2.3 kb single band (Wild), 2.3 and 3.6kb double bands (GalT KO -/+; heterozygote), and 3.6kb single band (GalT KO -/-; homozygote). Transgenic efficiency in F1 generation was 64.5% (23/35) of GalT KO (-/+). In F2 generation, GalT KO transgenic efficiency was 36.4% (21/57, Wild), 47.5% (28/57, GalT KO -/+), and 16.1% (8/57, GalT KO -/-), respectively. Interestingly, no homozygote piglets were born in 6 deliveries among total 11 deliveries, although they were pregnant between male (M) and female (F) heterozygote. In the 5 litters including at least one GalT KO -/- piglet, the transgenic efficiency was 13.3% (2/24, Wild), 51.3% (14/24, GalT KO -/+), and 35.3% (8/24, GalT KO -/-), respectively. The sex ratio of M and F was 40:60 in and 49:51 in generation, respectively. Based on these results, GalT KO transgenic pigs have had a reproductive ability with a normal range of transgenic efficiency and sex ratio.

The overexpression of Phosphoprotein Enriched in Astrocytes (PEA15) gene is commonly found in human diabetic patients. The overexpression of this gene in skeletal muscle and fat tissues have been reported to cause insulin resistance, thereby impairing insulin stimulated glucose uptake. We introduced a gene of mouse PEA15 (mPEA15) and enhanced green fluorescent protein (EGFP) into fertilized one cell pig zygotes using microinjection, and produced a piglet that showed overexpression of mPEA15 in the muscle tissues and expression of EGFP in the ear tissues and hooves. RT-PCR RFLP, southern blot and FISH analysis showed that the tissues carried the transgene. Real-time RT-PCR and western blots demonstrated that PEA15 gene was overexpressed in the various tissues and muscle tissues, respectively. These facts suggest that expression vector system is normally expressed in the trnasgenic (TG) pigs. To use as animal diseases model for type 2 diabetes, further study is necessary to confirm whether diabetes occur in these TG pigs, especially insulin resistance.

This study was conducted to investigate the effects of donor cell treatments on the production of transgenic cloned piglets. Ear fibroblast cell obtained from NIH MHC Inbred minipig was used as control. The GalT knock-out/CD46 knock-in (GalT/CD46) transgenic cell lines were established and used as donor cells. The reconstructed GalT/CD46 embryos were surgically transferred into oviduct of naturally cycling surrogate sows (Landrace × Yorkshire) on the second day of standing estrus. Unlike control (1.2 kV/cm,, 75.4%), the fusion rate of the GalT/CD46 donor cells was significantly higher in 1.5 kV/cm, (84.5%) than that of 1.25 kV/cm, (20.2%) (p<0.01). When the number of the transferred embryos were more than 129, the pregnancy and delivery rates were increased to 13/20 (65%) and 5/20 (25%) compared to less than 100 group [1/6 (16.7%) and 0/6 (0%)], respectively. To analyze the effect of donor cell culture condition on pregnancy and delivery rates, the GalT/CD46 donor cells were cultured with DMEM or serum reduced medium. In serum reduced medium group, the pregnancy and delivery rates were improved to 8/12 (66.7%) and 5/12 (41.7%) compared to DMEM group [3/7 (42.9%) and 0/7 (0%)], respectively. In conclusion, it can be postulated that an appropriate fusion condition and culture system is essential factors to increase the efficiency of the production of transgenic cloned piglets.