那些基因編輯后的動物

楊雄雄

被稱為“成簇的規律間隔短回文重復序列”（CRISPR）的基因分子或基因剪刀已經在生物醫學和生命領域產生了重大作用和巨大影響。除了對人的基因和人類胚胎的編輯引發巨大爭議外，目前這一技術在編輯動物基因方面獲得相當多的成果，為治療人類疾病和生產人類所需要的產品提供了廣闊平臺。

現在研究人員已經能用CRISPR基因剪刀來編輯豬、魚、猴子、羊、兔子、老鼠、蝴蝶等動物的基因。下面可以梳理一下CRISPR基因剪刀編輯動物基因產生了哪些對人類有益的典型動物。

治療杜興氏肌萎縮小鼠

杜興氏肌肉營養不良癥（又稱杜興氏肌萎縮，DMD）是遺傳性肌肉萎縮疾病。該病的致病基因存在于X性染色體中（Xp21），是通過性連鎖隱性遺傳而致病。該病由表達肌萎縮蛋白的基因受損引發。肌萎縮蛋白能夠增強與保護肌纖維，當肌萎縮蛋白缺失時，骨骼肌與心肌將會發生退化。

男性只有一個X性染色體，因此該病患者大多為男性，患者經常需要坐輪椅，利用呼吸機輔助呼吸，壽命一般在25歲左右。若女性的一對X性染色體中的一個攜帶有變異的杜興氏肌萎縮基因，便成為一個杜興氏肌萎縮的攜帶者，其兒子有二分之一的機會成為患者，其女兒則有二分之一機會成為杜興氏肌萎縮基因攜帶者。

目前，對于這種疾病還沒有有效的治療方法，CRISPR基因剪刀的出現為根治這種疾病帶來了希望。CRISPR基因剪刀需要與Cas9配合操作，后者是一種由核糖核酸（RNA）指導的細菌核酸內切酶家族，被CRISPR系統用來在特異性的基因序列位點上識別和切割雙鏈DNA，因此通常稱為CRISPR- Cas9基因剪刀。

CRISPR-Cas9基因剪刀當然不能先在人身上使用來治療疾病，而是要進行動物試驗?，F在，研究人員利用CRISPR-Cas9基因剪刀對患杜興氏肌萎縮的小鼠進行試驗，獲得了較好的效果。

對小鼠治療杜興氏肌萎縮的原理是，CRISPR-Cas9基因剪刀可通過一節RNA將Cas9酶移動到基因組中導致該病的致病基因位置，然后該酶能夠將特定的致病DNA片段切除，隨后細胞通過損傷修復機制將斷裂的DNA鏈連接，或者利用DNA模板創造新的序列。

現在，美國西南醫學中心的研究人員利用腺病毒將CRISPR-Cas9基因剪刀導入杜興氏肌萎縮小鼠胚胎中，以切除有缺陷的編碼肌萎縮蛋白的基因片段，結果使得出生后的小鼠能夠產生新的肌萎縮蛋白，改善了小鼠杜興氏肌萎縮的癥狀。

另外，美國杜克大學的另一個研究小組也利用CRISPR-Cas9基因剪刀，直接對成年小鼠的腿部肌肉進行治療，結果讓小鼠的肌肉產生了正常的肌萎縮蛋白，力量得到增強，而且還改善了小鼠心臟等其他部位的肌肉力量。

這些研究結果也意味著，CRISPR-Cas9基因剪刀可以用來治療人的杜興氏肌萎縮，但是，還需要先進行人體試驗，并且需要得到倫理批準。

基因編輯豬產生人類蛋白

人血白蛋白（HSA）是人血漿中的蛋白質，其作用既廣泛又重要，因為它們在體液內可以運輸脂肪酸、膽色素、氨基酸等，同時能維持血液正常的滲透壓。人血白蛋白還可用于治療休克與燒傷，用于補充因手術、意外事故或大出血所致的血液丟失，也可以作為血漿增容劑。

但是，如果人血白蛋白只從人體獲取，如從獻血者的血液中提取，不僅數量有限，而且價格昂貴。因此，研究人員一直希望利用基因工程改造動物，如豬或羊來生產人血白蛋白?，F在的CRISPR-Cas9基因剪刀為實現這一想法提供了理想的工具，因為通過基因編輯動物，如編輯豬，可以讓豬生產人血白蛋白。

但是，基因編輯豬也會有兩種結果，既產生豬血白蛋白，也可產生人血白蛋白，要解決這個問題，就只能是在編輯豬的基因時，把敲入的人類基因放在位于豬血白蛋白產生基因的下游。北京蛋白質組研究中心的研究人員通過使用CRISPR-Cas9基因剪刀，將人血白蛋白的基因敲入到豬血白蛋白基因位點下游起始密碼子，希望人血白蛋白基因能在豬內源性白蛋白基因的轉錄調控下表達，同時阻止豬內源性白蛋白基因的表達。

研究人員在10只巴馬母豬體內植入了300個改造過的受精卵，之后有5只豬成功懷孕，產下了16只巴馬豬仔。結果發現，這16只豬仔都帶有預期敲入的生產人血白蛋白的基因，在它們的血液中也能檢測到人血白蛋白。不過，各只幼豬體內的人血白蛋白含量有所不同。因此，這只是一個初步的成功。

更重要的是，要在未來的繁殖試驗中查驗敲入的人血白蛋白基因是否能在這些豬的后代中遺傳下去。如果能穩定遺傳下去，或許未來能讓這些基因編輯的豬生產人們所需要的人血白蛋白。

基因編輯豬提供供體器官

人體器官供不應求制約了器官移植治療疾病和挽救人的生命，因此，一直以來，研究人員在想方設法采用動物的器官供給病人移植，豬的器官就被視為是一個很好的人類器官的代用品。

但是，采用豬的器官要解決兩大問題：一是豬的器官可能引發器官受者的免疫排異反應，二是豬身上的一些隱藏的病毒和微生物可能對人有害。

豬的器官對于人是異種器官，異種器官移植面臨的免疫學排異反應表現為超急性排斥反應（HAR）、急性血管排斥反應（AVR）、細胞介導的排斥反應和慢性排斥反應。1993年，美國匹茲堡大學的外科醫生庫珀等人發現，大多數人類免疫反應的肇事者就是源自豬血管內皮細胞上的抗原，稱為α-1，3-半乳糖，這是一種糖分子，能在幾分鐘內引發器官排異。但是，一種名為α-1，3-半乳糖基轉移酶的物質對于產生這種糖是必需的，將產生這種酶的基因敲除，就有可能緩和免疫排異反應，從而讓豬器官供人類移植。

另一個問題是，豬體內有多達幾十種潛藏的或休眠的逆轉錄病毒（PERV）。盡管對豬的這些逆轉錄病毒是否對人類有害存在爭議，但較為普遍的看法是，如果使用豬的器官，就應當消除這些隱患，以免移植豬器官后引發其他疾病。因此，如果要使用豬的器官，就必須敲除豬體內這些逆轉錄病毒的基因，以確保萬無一失。

于是，去除或修改豬的α-1，3-半乳糖基轉移酶和其他幾十種逆轉錄病毒基因就歷史地落到CRISPR-Cas9基因剪刀的肩上。美國哈佛大學的丘奇教授領導的團隊在2015年10月宣布，他們的兩個研究小組已經能完成去除或修改豬的α-1，3-半乳糖基轉移酶基因和其他幾十種逆轉錄病毒基因的任務。

一個研究小組利用CRISPR-Cas9基因剪刀對一組豬胚胎進行了20多個基因的改造，其中就包括編碼豬的α-1，3-半乳糖基轉移酶的基因，從而阻止了豬細胞表面的α-1，3-半乳糖產生，也就消除了豬器官上面的抗原，可以避免豬器官移植到人體時觸發免疫反應。

另一個研究小組利用CRISPR-Cas9基因剪 刀編輯豬胚胎中的62個豬內源性逆轉錄病毒基因，讓這些病毒失活。這項工作非常重要，因為這些病毒嵌入在所有豬的基因組中，無法進行處理或是被中和。由于擔心它們有可能給人類患者帶來疾病，豬器官遲遲不敢用于人類。

現在，由于解決了這兩個問題，即消除了引發免疫反應的α-1，3-半乳糖基轉移酶基因和豬內源性逆轉錄病毒基因，下一步將有可能把豬的器官移植給人。不過，在對人進行移植前，還要通過動物試驗來驗證，例如，對狒狒和猴子移植經過CRISPR-Cas9基因剪刀編輯的豬的器官，如肺、心臟和肝臟。

美國馬里蘭大學醫學院的外科醫生已經在做這種動物試驗。他們從一頭經過CRISPR-Cas9基因剪刀編輯的成年豬身上摘下肺，移植給一只6歲的狒狒。未來，這一研究結果將會公布，以此論證，豬的器官是否可以移植給人。

大力士和天狗

除了豬與人的生理和代謝相似、器官大小差不多之外，狗與人的生理也比較接近，因此，研究人員一直希望建立狗的動物試驗模式，為人類服務?，F在，CRISPR-Cas9基因剪刀的出現讓中國研究人員創造了一種特殊的狗，一只稱為大力士，一只稱為天狗。

中國科學院廣州生物醫藥與健康研究院的賴良學團隊利用CRISPR-Cas9基因剪刀敲除狗的肌肉生長抑制素基因，以增強狗的肌肉能力，因為該基因對骨骼肌生長具有抑制作用，被敲除后，肌肉生長發育能力就會增強。

研究人員最初利用CRISPR-Cas9基因剪刀對60多個狗胚胎進行編輯，然后把胚胎植入母狗體內孕育，誕生了27只小狗，但只有2只（一公一母）小狗的肌肉生長抑制素基因被敲除。肌肉生長抑制素基因被敲除的狗的肌肉在4月齡時就顯得比普通狗更為發達，研究組將兩只狗分別命名為大力士（公）和天狗（母）。

預計這種基因敲除狗在成年后將具有更強的運動能力，適合狩獵以及軍事應用。由于狗與人的代謝、生理以及解剖特征相似，這類由CRISPR-Cas9基因剪刀編輯的狗會被用于治療人類的一些遺傳病，如帕金森病、重癥肌無力、肌萎縮側索硬化癥（ALS，漸凍人癥）的試驗。

過去，人們常在小鼠身上建立模型來探索和治療這類疾病，包括杜興氏肌萎縮。但是，由于小鼠較小，與人的生理狀況差別較大，用小鼠模型獲得的結果與人的差別也很大，還需要進一步試驗才能用到人身上。現在，用CRISPR-Cas9基因剪刀編輯的狗就能對治療肌萎縮側索硬化癥有直接的模擬作用。

CRISPR-Cas9基因剪刀不只是能編輯和產生上述新的動物，也已經產生了基因編輯猴等動物。隨著這一技術的應用，會有越來越多的基因編輯動物出現，既能為人類健康和治病服務，又能提供人類所需的各種生物產品。

【責任編輯】張田勘