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【转基因你问我答】基因修饰动物相继诞生 希望与争议何去何从?

来源:光明网2021-02-04 17:30

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  编者按:

  美国基因编辑猪已上市,不仅可以食用,还可以药用。基因修饰动物产业正在加速发展,将会给人们生活带来哪些影响,未来又将何去何从?光明网基因科普团队针对相关问题邀请专家进行权威解读。

  作者:汤波 国科现代农业产业科技创新研究院 研究馆员

            赵毅强 中国农业大学 副教授

  近日,美国FDA正式批准一种无α-半乳糖的基因修饰猪可用于生产食品和医药产品等潜在用途,这是全球首个获得批准的基因修饰猪产品,也是第五个获批的基因修饰动物产品,标志着全球在基因修饰动物产业化呈加速趋势,将为人类健康带来深远影响。

  “跑步”进入基因编辑时代

  基因修饰动物是利用转基因、基因打靶和基因编辑等基因修饰技术,改变动物的基因组,使其表现出某些特殊的性状或功能。从发展历史来看,基因修饰动物可以分为三个主要发展阶段。

  第一个阶段是20世纪70年代末到20世纪末,以外源基因转入,即转基因动物为主。1980年,世界上第一只快速生长的转基因小鼠诞生,让人们看到了转基因技术在动物新品种培育方面的潜力。1982年,转基因小鼠乳腺中首次表达出外源蛋白,科学家开始设想将转基因动物改造成活体“制药车间”,以开创生物制药全新模式。80年代中后期到90年代初,转基因猪、羊、牛、鸡、鱼类等农业动物相继培育出来,后来被批准上市的转基因动物产品大多诞生在这一时间内。不过这种转基因技术有一个重要缺点,即外源基因是随机整合到基因组中,能不能表现出目标性状,表达水平是高是低,都完全靠运气。

【转基因你问我答】基因修饰动物相继诞生 希望与争议何去何从?

快速生长转基因小鼠(Nature)

  第二个阶段是20世纪80年代末到2010年,以基因敲除动物为主。人类数千种遗传病大多由单个基因突变造成,科学家们希望能将这些突变基因去掉或更正,从而治疗遗传病。1985年,美国分子生物学家马里奥·卡佩奇(Mario Capecchi)和奥利弗·史密斯(Oliver Smithies)分别独立建立动物基因打靶技术,培育出基因敲除小鼠。这项技术可对目标基因进行定点修饰,即将一些突变基因敲除,也可人为引入一些基因突变,在基因治疗、功能基因研究、异种器官移植等方面应用广泛。2007年,卡佩奇和史密斯与发明胚胎干细胞技术的英国发育学家马丁·埃文斯(Martin Evans)共享了诺贝尔生理学或医学奖。不过,由于家畜胚胎干细胞技术不成熟,基因打靶技术在诞生后的十几年里一直局限于人类细胞和小鼠身上。直到1996年体细胞克隆绵羊多利诞生后,家畜基因打靶技术才开始流行起来,基因敲除猪、羊、牛等相继培育出来,包括最近被美国FDA批准的无α-半乳糖基因敲除猪。

  第三个阶段是20世纪90年中期至今,进入基因编辑时代。基因打靶技术虽然能对目标基因进行修饰,但是效率极低,往往在上千个甚至上万个细胞中才能筛选出少数几个基因敲除细胞,获得基因敲除动物难度更大,而且一次只能对单个基因进行修饰。不过,从20世纪中期开始,以锌指核酸酶技术、TALEN技术和CRISPR/Cas9技术为代表的基因编辑技术相继诞生和成熟,特别是2013年诞生的CRISPR/Cas9技术,如同Word软件对文字进行编辑一样,实现了在基因组上进行定点、批量、高效率基因修饰,催生了无角基因编辑牛、抗蓝耳病基因编辑猪、双肌臀基因编辑羊等重大基因修饰动物新品种。随着各国基因编辑监管政策的明晰和放开,将会有更多具有重大应用价值的基因编辑动物进入市场。

  “修饰”人类生产和生活

  基因修饰动物在农业动物新品种培育、生物新药创制、异种器官移植、生命科学基础研究和重大疾病机理研究等方面都展现出巨大应用前景。

  新品种培育是动物基因修饰技术最早的应用方向,可以培育具有生长快速、品质改良、抗病力强等优良性能的动物新品种。2015年,经过近20年的食用安全和环境安全评价,加拿大和美国FDA相继批准快速生长型转基因三文鱼,开了食用转基因动物上市的先河。最近,美国、英国和中国等国家培育的无角基因编辑牛、抗蓝耳病基因编辑猪、乳球蛋白基因敲除奶牛等新型动物品种,也有希望进入市场。英国科学家培育的不育转基因蚊子已在巴西实现商业化生产,美国也已批准其在佛罗里达州开展野外放飞试验,这种转基因雄蚊携带致死基因,与之交配的野生雌蚊正常无法繁育后代,从而可控制蚊虫种群数量,减少登革热、寨卡、黄热病等蚊媒传染病的传播。

【转基因你问我答】基因修饰动物相继诞生 希望与争议何去何从?

2015年美国获准食用转基因三文鱼上市(NPR)

  生物制药技术包括基因工程细菌、基因工程动物细胞以及基因工程动物三种主要技术。目前基因工程动物细胞是生物制药的主流技术,但是基因工程动物制药技术则表现出成本低、投入少、效率高等优势。2009年、2014年和2015年,美国FDA分别批准转基因山羊、转基因兔和转基因鸡生产的重组蛋白药物上市,标志着科学家们希望将活体动物改造成“药物车间”的梦想实现。基因修饰动物另一个重要贡献是治疗性单克隆抗体的筛选,特别是免疫基因修饰小鼠。一般是利用基因打靶技术或基因敲除技术将小鼠自身的免疫球蛋白基因簇全部删除,同时转入人类免疫球蛋白重链基因和轻链基因,当注射抗原时,这些小鼠就会产生全人源免疫球蛋白,从中可筛选出特异性的单克隆抗体。自2006年第一个由基因修饰小鼠平台获得的治疗性单克隆抗体上市以来,已有19种源自免疫基因修饰小鼠的单克隆抗体上市,占已上市全人源单克隆抗体药物的2/3,在癌症、自身免疫性缺陷、骨质疏松等疾病治疗中发挥了重要作用。

  异种器官移植则是动物基因修饰技术的另一个研究热点。器官短缺是全球面临的重大医学难题,猪被认为是异种器官的理想供体。异种器官移植最大障碍是严重免疫排斥反应,因为猪细胞表面有一些人体所没有的抗原分子,如α-半乳糖。通过基因修饰技术,将猪的细胞特异抗原基因敲除,并转入人体基因,可将猪的细胞伪装成人体细胞,以躲避人体免疫系统的“围剿”。目前基因修饰猪心脏、肺脏、肾脏等器官均完成了非人灵长类动物的异种移植临床前试验评价,最长存活时间可达900天以上,预计近期将可能进入临床试验。2020年12月14日美国FDA批准的无α-半乳糖基因敲除猪也将加快这一进程,也是全球首次批准同一个基因修饰生物的食用和药用两种用途。值得一提的是,异种器官移植也受到资本市场的追捧,哈佛大学著名遗传学家乔治·丘奇(George Church)教授创立的异种器官移植公司及其中国子公司已获得近2亿美元的风险投资。

  基因修饰动物在疾病模型制备和生命科学基础研究等领域也发挥着极其重要的作用。通过引入人类遗传病相同的基因突变,可将基因修饰动物改造成模拟人类疾病的动物模型,用于疾病机理研究和新药验证,基因修饰小鼠、猪和猴等人类疾病模型较为常见,如模拟人类亨廷顿病的基因编辑猪和模拟人类自闭症的转基因猴等。每年成千上万种转基因小鼠、斑马鱼、果蝇等模式动物被世界各国的研究人员培育出来,为功能基因挖掘、新药验证等生命科学基础研究默默地做出重要贡献,基因修饰小鼠也发展成为一个重要的生物产业。

  希望与争议该何去何从

  未来将有更多的基因修饰动物及其产品进入市场,特别是基因编辑动物将更受青睐。2020年10月7日,在发明CRISPR/Cas9基因编辑技术8年后,法国生物学家埃曼纽尔·卡彭蒂耶(Emmanuelle Charpentier)和美国生物学家的詹妮弗·杜德纳(Jennifer Doudna)荣获2020年诺贝尔化学奖。除了在基因治疗方面具有巨大应用前景之外,基因修饰动物则是基因编辑技术另一个重大应用领域。早在2016年3月,国际顶级学术期刊《自然》就用封面故事的形式,准确预测了基因编辑动物时代的到来。据2019年5月《自然》杂志网站报道,随着中国和美国积极开展基因编辑动植物新品种研发,基因编辑市场蓬勃发展,原本对基因修饰技术持谨慎态度的俄罗斯也对基因编辑技术敞开了大门,推出了一项耗资1110亿卢布(17亿美元)的联邦计划,希望2020年前研制出10种新的基因编辑动植物新品种,到2027年再研制出另外20种。

【转基因你问我答】基因修饰动物相继诞生 希望与争议何去何从?

乔治·丘奇团队的无内源性逆转录病毒基因编辑猪带来异种器官移植新希望(Science)

  另外,各国对基因编辑生物可能会采取比转基因生物更为宽松的监管措施,也将加速基因编辑生物的产业化。最近,美国政府计划将基因编辑畜禽的监管权从FDA划归农业部,受到美国猪肉生产者理事会等畜禽产业组织的欢迎。美国FDA之前明确表示,任何基因修饰动物都将按新动物药物继续监管,而美国农业部则表示将不会基因编辑生物进行过度监管。

  不过,与转基因作物一样,目前基因修饰动物也存在一些争议。基于宗教信仰、科学素质等因素,有些人很难接受经过任何基因修饰的动植物,如有人将转基因三文鱼描汇成“科学怪鱼”。另一些人对基因修饰动物的动物福利、生态影响等方面提出质疑。更多的人则基因修饰动物的安全性表示担忧。不过基因修饰农业动物在批准上市之前,都经过了严格的食用安全和环境安全评价,在确保其与非基因修饰的天然动物具有等同安全性之后才会正式批准。相对而言,基因编辑动物的市场接受度要显著高于转基因动物。

  正如中国科学院副院长周琪院士等人在《国家科学评论》上指出,大型动物基因编辑技术的快速发展催生了许多对人类疾病模型、异种移植和农业经济有价值的基因编辑动物。随着对现有基因组编辑系统的进一步优化以及用于精确基因修饰的新工具持续产生,将进一步加快用于农业、再生医学和治疗应用的基因修饰动物、器官和组织的发展。

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