The enzyme α1,3-galactosyltransferase (α1,3GT or GGTA1) synthesizes α1,3-galactose (α1,3Gal) epitopes (Galα1,3Galβ1,4GlcNAc-R), which are the major xenoantigens causing hyperacute rejection in pig-to-human xenotransplantation. Complete removal of α1,3Gal from pig organs is the critical step toward the success of xenotransplantation. We reported earlier the targeted disruption of one allele of the α1,3GT gene in cloned pigs. A selection procedure based on a bacterial toxin was used to select for cells in which the second allele of the gene was knocked out. Sequencing analysis demonstrated that knockout of the second allele of the α1,3GT gene was caused by a T-to-G single point mutation at the second base of exon 9, which resulted in inactivation of the α1,3GT protein. Four healthy α1,3GT double-knockout female piglets were produced by three consecutive rounds of cloning. The piglets carrying a point mutation in the α1,3GT gene hold significant value, as they would allow production of α1,3Gal-deficient pigs free of antibiotic-resistance genes and thus have the potential to make a safer product for human use.

The CRISPR/Cas9 system has been adapted as an efficient genome editing tool in laboratory animals such as mice, rats, zebrafish and pigs. Here, we report that CRISPR/Cas9 mediated approach can efficiently induce monoallelic and biallelic gene knockout in goat primary fibroblasts. Four genes were disrupted simultaneously in goat fibroblasts by CRISPR/Cas9-mediated genome editing. The single-gene knockout fibroblasts were successfully used for somatic cell nuclear transfer (SCNT) and resulted in live-born goats harboring biallelic mutations. The CRISPR/Cas9 system represents a highly effective and facile platform for targeted editing of large animal genomes, which can be broadly applied to both biomedical and agricultural applications.

Reprogramming of the gamete into a developmentally competent embryo identity is a fundamental aspect of preimplantation development. One of the most important processes of this reprogramming is the transcriptional awakening during embryonic genome activation (EGA), which robustly occurs in fertilized embryos but is defective in most somatic cell nuclear transfer (SCNT) embryos. However, little is known about the genome-wide underlying chromatin landscape during EGA in SCNT embryos and how it differs from a fertilized embryo. By profiling open chromatin genome-wide in both types of bovine embryos, we find that SCNT embryos fail to reprogram a subset of the EGA gene targets that are normally activated in fertilized embryos. Importantly, a small number of transcription factor (TF) motifs explain most chromatin regions that fail to open in SCNT embryos suggesting that over-expression of a limited number of TFs may provide more robust reprogramming. One such TF, the zygotically-expressed bovine gene DUXC which is a homologue of EGA factors DUX/DUX4 in mouse/human, is alone capable of activating âˆ¼84% of all EGA transcripts that fail to activate normally in SCNT embryos. Additionally, single-cell chromatin profiling revealed low intra-embryo heterogeneity but high inter-embryo heterogeneity in SCNT embryos and an uncoupling of cell division and open chromatin reprogramming during EGA. Surprisingly, our data also indicate that transcriptional defects may arise downstream of promoter chromatin opening in SCNT embryos, suggesting additional mechanistic insights into how and why transcription at EGA is dysregulated. We anticipate that our work will lead to altered SCNT protocols to increase the developmental competency of bovine SCNT embryos.

Bovine in vitro oocyte maturation (IVM) is an easy way to obtain oocytes for subsequent assisted reproductive techniques but is inefficient compared to in vivo maturation. Supplementation of three cytokines, fibroblast growth factor 2 (FGF2), leukemia inhibitory factor (LIF), and insulin-like growth factor 1 (IGF1), or FLI, has increased oocyte maturation and embryo development in multiple species, but studies have not explored the oocyte differences caused by FLI IVM supplementation. This study aimed to assess important nuclear and cytoplasmic maturation events in high-quality oocytes. FLI-supplemented oocytes had a decreased GV (3.0% vs. 13.7%, p < 0.01) and increased telophase I incidence (34.6% vs. 17.6%, p < 0.05) after IVM, increased normal meiotic spindles (68.8% vs. 50.0%, p < 0.001), and an increased nuclear maturation rate (75.1% vs. 66.8%, p < 0.001). Moreover, in metaphase II oocytes, the percentage of FLI-treated oocytes with a diffuse mitochondrial distribution was higher (87.7% vs. 77.5%, p < 0.05) and with a cortical mitochondrial distribution was lower (11.6% vs. 17.4%, p < 0.05). Additionally, FLI-supplemented oocytes had more pattern I cortical granules (21.3% vs. 14.4%, p < 0.05). These data suggest that FLI supplementation in bovine in vitro maturation medium coordinates nuclear and cytoplasmic maturation to produce higher-quality oocytes.