漫话猪转基因与基因组编辑分析

 论文栏目:转基因论文     更新时间:2018/5/7 17:15:46   

前言

景阳冈上有棵树,树上挂了个牌儿:近因景阳冈猛虎伤人,但有过往客商,应结伙成队过冈,请勿自误??杉蠖嗍伺禄?,以至于谈虎色变。如今,这个警示牌可能要挂到菜市场门口了,菜市场有什么可怕的?转基因。与其说是“怕”,不如说是“不了解”?!白颉闭飧龃试诮裉炜蠢锤袷且桓錾缁嵘贤ㄋ椎某坪?。我们搞不清“基因”是什么,但凡涉及到基因层面的动植物,就剑指“转基因”,这很容易导致食品安全恐慌,也使得科学研究受到扰乱。在科学研究中,基因层面的操作多种多样,最容易理解的或许就是转基因,即给基因换个位置。然而,除此之外还有多种基因操作技术,当把这些基因操作技术的农业成果统称为转基因产品时,意味着“转基因”这个词汇是一个大杂烩。社会上对于转基因的讨论是建立在一个混乱的前提下,“剪不断,理还乱”是在所难免的。厘清几个常见的基因操作技术是理性对待它的前提?;虿僮骷际醮笾掳ɑ蚯萌?、基因敲除、基因编辑等。相比于“转基因”,这些专业词汇在定义上更精确,由此更容易正确理解基因操作技术。

1遗传物质

形形色色的动植物在传宗接代时为什么会保持稳定?原因就在于遗传物质,上一代将遗传物质传递给下一代,实现了物种的稳定。所有动植物的遗传物质是脱氧核糖核酸,即DNA。DNA由四种核苷酸构成,四种核苷酸不同的排列方式决定了这条DNA链的特异性,DNA链的特异性也正是不同物种有不同特征的遗传基础。生物的进化是一个相当缓慢的过程,且进化方向是由大自然决定的。人类社会某种意义上改变了一些物种的遗传物质进化的方向及速度。自然界中的野猪生长缓慢,头部占整个身体比例大,产仔数有限,性情凶猛;这些特点都是野猪为了在残酷的自然界生存进化而来的。然而,我们将野猪驯化成家猪,使之性情温顺、产肉多、产仔多,这都是人类社会为了满足自我需求而进行选择的结果。

2基因及其功能

基因和遗传物质是怎样的关系呢?简单通俗地讲,某个基因是DNA长链的某一段。这一段DNA可以独立地完成特定生物学功能,比如猪的某一段DNA(基因)决定了这头猪的毛色是白色。既然基因与生物外在表型直接相关,我们就可以对某一个基因进行改造,使之对应的表型发生改变,从而达到某种目的?;蚯萌胧歉谋浠虻奈恢?,可能跨越了物种,也可能发生在同一物种内。比如把鱼的一个基因从其DNA链上切下来,通过一定方法将它连接到西红柿的DNA链上,于是西红柿的遗传物质里就有了不属于自身的基因,我们可以把这个过程称为转基因?;蚯贸⒚挥懈谋浠蛭恢?,只是在原有基因上进行清除改造,目前将之归属于基因编辑范畴为佳。比如将猪的某个基因破坏掉,使之失去功能,与之对应的性状就会发生改变。一个生物个体的遗传物质包含了亿万个核苷酸对(生物体内核苷酸是成对存在的),比如人有近30亿对,大鼠有超过27亿对,猪有超过24亿对。在如此多的核苷酸中,一个或几个发生了变化,我们认为DNA发生了编辑。虽然只有少数核苷酸发生了变化,但可能产生巨大的效果。改变某生物DNA中一个或几个核苷酸,对生物体产生的影响,可能是不利的,比如造成某些遗传疾??;但也可能是有利的,比如增加产肉量。我们可以利用这种方法对某些生物个体进行基因编辑,使之朝着有利于人类社会的方向改变。这一点在畜牧水产、农作物、医学动物模型上具有重要的应用价值。举一个畜牧业上的例子,我们饲养肉用家畜主要是为了获取瘦肉,研究发现猪、牛等动物有一个基因,这个基因的作用是抑制肌肉的发育,也就是说这个基因使得动物肌肉生长受限,如果通过基因编辑的方法破坏掉这个基因,那么肌肉会生长得更丰满,从而获得更多的瘦肉。只需改变这个基因的几个核苷酸,就能得到更多的肉,每头猪或牛产肉增多,生产效率提高。于生产者,于消费者,都是有利的。那么,这是科研工作者天马行空的想象吗?其实不然,这种现象自然界固有之。比利时有一种牛叫比利时蓝牛,这种牛天生肌肉丰满,产肉率明显高于其他牛品种,原因在于抑制肌肉生长的基因(MSTN)在进化过程中自然地发生了变化,不再具有活性,故出现了肌肉丰满的性状。我们人为地在其他动物中改变这个基因,使得比利时蓝牛的偶然现象扩大化,提高畜牧养殖的生产效率,这是对大自然“杰作”的一种模仿和应用。

3基因编辑猪

基因组编辑技术是近年来发展起来的可以对基因组完成精确修饰的一种技术,可完成基因的定点删除、插入和点突变等。猪是人类主要的食肉来源之一,同时也是生物医学研究中不可或缺的模式大动物。传统的选育方法耗时长,成本高昂,效果有限,阻碍了猪的经济性状遗传改良的快速发展。利用基因组编辑技术,可以快速对猪进行遗传改良,特别是在医学模型的改造上显示出巨大的优势?;虮嗉煽焖俟菇ɑ蛲槐浠蚯贸?。2015年,Qian等人利用ZFNs技术实现了肌生成抑制蛋白(Myostat-in,MSTN)基因敲除猪,阳性猪出现了明显的双肌臀表型[1]。同年,Wang等人利用CRISPR/Cas9技术同样实现了MSTN基因敲除猪[2]。在基因编辑动物中,是否有筛选标记是评价安全性的重要内容,因此,在基因编辑动物技术研究中,怎样去除筛选标记一直以来是研究者关注的问题。但是在阳性率较低的现实下,筛选标记往往是必需的。目前比较通行的去除筛选标记的手段是利用Cre/LoxP重组系统。2016年,Bi等人结合利用CRISPR/Cas9技术和Cre/LoxP重组系统,实现敲除猪MSTN基因的同时,筛选标记可以通过杂交去除[3],这在生物安全层面有重大意义。除了提高肉质等经济性状外,基因敲除也可以应用于抗病育种。某些细菌病毒入侵机制中需要关键的受体,如果我们能改变这些受体就可以达到抵御病原入侵的目的[4]。2017年,Burkard等人敲除了猪蓝耳病受体CD163的一个结构域,攻毒实验显示可以抵御猪蓝耳病毒感染[5]。这启示我们在防疫过程中除了药物防疫之外还有一条更加有效的捷径,可以利用基因编辑技术实现彻底地抵御某种病原?;蚯贸哪康氖瞧苹的掣龌?,现在我们有更精确的技术实现基因功能阻断。单碱基突变技术只需突变一个碱基,在基因外显子制造终止密码子,致使蛋白质翻译过程提前终止,达到基因阻断的目的。2017年,Billon等人利用单碱基突变技术高效地在基因外显子区域引入终止密码子[6],为基因敲除技术开辟了新的天地。与基因敲除相比,基因敲入技术较为困难。2014年Cui等人将人乳铁蛋白基因和溶菌酶基因敲入到猪基因组[7],使之在猪的乳腺中表达,从而成功构建了乳腺反应器。2015年Peng等人利用CRISPR/Cas9技术将人白蛋白基因敲入猪的基因组,从猪血清中提纯获得人白蛋白[8];同年Ruan等人同样利用CRISPR/Cas9技术定点敲入基因,发现猪基因组中有一个可以使敲入基因高表达的位点[9]。通过基因敲入实现抗病育种有强大的优势,因为动物获得的这种抗性是可以遗传给后代的,这使得一个品系永久拥有这种抗性,潜在经济价值不言而喻。2017年赵建国团队通过在猪基因组中敲入UCP1基因,使得初生仔猪抗寒能力增强[10],提高了仔猪生活力,对养猪业有重要的现实意义。同年,Gao等人将NRAMP1基因敲入到?;蜃?,实现了牛对结核分枝杆菌的抗性[11],这说明基因编辑抗病育种在多种家畜上均可应用。Park等人利用CRISPR/Cas9技术敲入基因时,采用了Cas9蛋白而不是质粒[12],降低了外源基因组残留的概率,对无标记基因组修饰有参考意义。在医学动物模型方面基因敲入猪也显示出巨大优势,2017年赖良学团队成功构建了Cas9蛋白诱导表达猪,并且在此模型上成功模拟了肺癌的发生[13],为人类肿瘤医学提供了重要的研究材料。此外,由于猪的生理与人体相似,猪作为器官移植的供体也越来越受到医学界的关注[14]。为了解决人体对猪器官的免疫排斥,必须对猪进行基因改造,此过程是通过基因编辑技术实现的。随着CRISPR/Cas9介导的基因敲入技术的发展,精准、安全、高效的基因敲入给生物安全以保障,将给养猪业带来巨大的效益。

4基因编辑与生物安全

对转基因问题的辩论点在哪里?安全、伦理是焦点。安全性问题首先要讨论的是基因操作技术本身的安全性。转基因技术也是经历了一系列的发展,技术手段不断改进。最新的基因操作技术CRISPR/Cas9技术,以及前期的ZFN(锌指核酸酶)技术、TALEN(转录激活因子样效应物核酸酶)技术等都能做到精确的基因编辑,这些技术能在DNA链精确目标位置上发挥功能?;虼虬芯拖裨诤棋暮塑账岷Q罄锶范ㄒ桓瞿勘耆缓蟮嫉频即虬?,以往技术不成熟,基因打靶是“打哪指哪”;现在技术成熟了,是“指哪打哪”。这是质的转变,直接把基因编辑技术从“摸黑”的困境引领到“光明大道”。当然,基因编辑技术也会存在一定的风险,我们必须评估风险,不断改进技术把风险控制在可接受的安全范围内。转基因食品的安全性很多国家已经制定了评估标准,我们国家也有严格的评估标准。与几个转基因农作物种植大国例如美国、加拿大等国相比,我国对待转基因作物的态度是十分谨慎的,目前我国批准种植的转基因作物只有棉花和番木瓜两种。世界范围内大面积种植的转基因玉米、油菜、棉花、大豆等已经昭示一个现实:无论如何,必须接受转基因作物的存在。已经批准上市多年的转基因食物,并没有出现不良反应。实践是检验真理的唯一标准,多年的实践已经很大程度上证明了其安全性。当然,是否接受转基因食品,个人有选择的自由,莫要把自己的观点强加于他人,重要的是,如何对待转基因产品要建立在理性、科学的基础上,切莫跟风。目前转基因产品绝大部分是植物,这是因为植物的结构、生长发育过程相对简单,基因容易操作控制的原因。但是,基因操作技术发展到今天,在动物上的应用已经可行,基因编辑动物或转基因动物必然是发展趋势。2015年11月,美国批准转基因三文鱼上市,这是第一个上市的转基因动物,也必定不会是最后一个。其实,利用基因操作技术生产的生物产品不局限于我们的食物,很多疫苗、药品都是基因工程产品,基因编辑、转基因等就是基因工程的基本手段。所以,利用基因操作技术生产的产品就在我们身边,很多人也享受过基因操作技术带来的好处。譬如被狗咬伤,我们会去打狂犬疫苗,而狂犬疫苗就是利用基因编辑技术得到的。依靠基因编辑技术我们得以防止狂犬病的发生,这说明我们研发基因操作技术的初衷就是利用它为人类服务,现实也的确如此。伦理问题是一个棘手的问题,转基因技术刚刚兴起时,只是在科研层次进行,这个问题还未凸显。但是科研是为实际生产服务的,随着转基因技术的发展成熟,必然会到生产层面上,当转基因进入到与我们息息相关的食品中时,转基因大讨论也随之而来。关于伦理问题的讨论,无非两个方面:于人类社会,于生物本身。对于行使基因操作技术行为的主体,人类是在发挥主观能动性改造世界,还是在挑战大自然平衡。正确看待这个问题,首先不能神化或妖化基因操作技术,其次不能跟风起哄。从科学理性的角度来看,科研领域里我们认识基因、改造基因、利用基因,是人类认知生命现象的一种方法,是合理的?;虿僮骷际醮涌蒲辛煊蜃绞导噬?,这应该是必然的。毕竟,科学研究的目的就是指导实践??萍汲晒畲吹母镄潞捅憷鞘率?,有些科学技术确实是双刃剑,不管是它本身瑕不掩瑜,还是出于现实的无奈,我们依然冒着潜在的风险利用它,好比明知道核能的危险却依然不得不尽量做好安防措施以利用之,因为我们需要能量。我们对基因操作技术的依赖性还没有到如此地步,毕竟,靠现有的手段还能基本满足人类社会对食物的需求。但是在未来,这种状态是否可以持续,无从而知,但是有一点,未雨绸缪一定是明智的。对于生物体本身,人为的基因编辑是否违背自然法则,或者是否违背自然界的伦理道德。这些讨论都忽略了一个前体:人类社会的特殊性。人类社会利用有限的资源,有限的空间,承载大量人口,这对于其他生物是不可能的。能实现如此目的,原因是人类改造自然界的能力,我们可以人为培育我们需要的资源,只要是可再生的我们就可以持续再生产。因此,人类社会控制下的农作物、家养动物不能完全按照自然界其他生物去看待。生命是平等的,善待生命是崇高的。但是,人类社会在利用资源时,杀戮和血腥是必然存在的,这也无需掩饰。在一个文明的社会里,我们能做的,是尽量在利用资源时合理合规,节约资源,良好的生产养殖规范,遵循动物福利的屠宰流程等等。在某种意义上,提高农业生产的效率,就相应地减少对自然野生资源的索取,是间接地?;ぷ匀蛔试?。因此,不仅仅是基因操作技术,所有以提高生产效率为目的的技术应用于实践,在严格的安全性监督下,都值得尝试。

5展望

基因敲入、基因敲除、基因编辑等基因层面的操作技术还处在不断发展和完善阶段,同时生物安全问题和相关的监管条例需要由国家层面来制定。越来越多的功能基因被解析,理论上可以利用基因编辑技术改造某些功能基因加以利用,这使得基因编辑技术应用前景越来越广泛?;虮嗉际跤辛Φ赝平酥硪糯值慕?,短时间内即可实现遗传改良,在猪遗传育种中的广泛应用是必然趋势。关于转基因技术的争议,依然如火如荼地进行着;转基因技术应用于生产,任重而道远??蒲泄ぷ髡咝枰欢峡⑼晟聘影踩行У幕虿僮骷际?,社会上需要更多的普及和推广。人类认识了基因,对之改造加以利用,若有益,利用之;若有害,摒弃之。今天我们害怕“转基因”,究其原因,依然是不了解导致。未来,整个社会都能正确理性对待这个新技术及其产品,于科学研究,于人类社会发展,甚好。

作者:高杨 赵长志 谢胜松 周全 李长春 赵书红 单位:华中农业大学

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