漫話豬轉基因與基因組編輯

高 楊，趙長志，謝勝松，周 全，李長春，趙書紅

（華中農業大學，湖北 武漢 430070）

0 前言

景陽岡上有棵樹，樹上掛了個牌兒：近因景陽岡猛虎傷人，但有過往客商，應結伙成隊過岡，請勿自誤。可見大多數人怕虎，以至于談虎色變。如今，這個警示牌可能要掛到菜市場門口了，菜市場有什么可怕的？轉基因。

與其說是“怕”，不如說是“不了解”。“轉基因”這個詞在今天看來更像是一個社會上通俗的稱呼。我們搞不清“基因”是什么，但凡涉及到基因層面的動植物，就劍指“轉基因”，這很容易導致食品安全恐慌，也使得科學研究受到擾亂。在科學研究中，基因層面的操作多種多樣，最容易理解的或許就是轉基因，即給基因換個位置。然而，除此之外還有多種基因操作技術，當把這些基因操作技術的農業成果統稱為轉基因產品時，意味著“轉基因”這個詞匯是一個大雜燴。社會上對于轉基因的討論是建立在一個混亂的前提下，“剪不斷，理還亂”是在所難免的。厘清幾個常見的基因操作技術是理性對待它的前提。基因操作技術大致包括基因敲入、基因敲除、基因編輯等。相比于“轉基因”，這些專業詞匯在定義上更精確，由此更容易正確理解基因操作技術。

1 遺傳物質

形形色色的動植物在傳宗接代時為什么會保持穩定？原因就在于遺傳物質，上一代將遺傳物質傳遞給下一代，實現了物種的穩定。所有動植物的遺傳物質是脫氧核糖核酸，即DNA。DNA由四種核苷酸構成，四種核苷酸不同的排列方式決定了這條DNA鏈的特異性，DNA鏈的特異性也正是不同物種有不同特征的遺傳基礎。

生物的進化是一個相當緩慢的過程，且進化方向是由大自然決定的。人類社會某種意義上改變了一些物種的遺傳物質進化的方向及速度。自然界中的野豬生長緩慢，頭部占整個身體比例大，產仔數有限，性情兇猛；這些特點都是野豬為了在殘酷的自然界生存進化而來的。然而，我們將野豬馴化成家豬，使之性情溫順、產肉多、產仔多，這都是人類社會為了滿足自我需求而進行選擇的結果。

2 基因及其功能

基因和遺傳物質是怎樣的關系呢？簡單通俗地講，某個基因是DNA長鏈的某一段。這一段DNA可以獨立地完成特定生物學功能，比如豬的某一段DNA（基因）決定了這頭豬的毛色是白色。

既然基因與生物外在表型直接相關，我們就可以對某一個基因進行改造，使之對應的表型發生改變，從而達到某種目的。基因敲入是改變基因的位置，可能跨越了物種，也可能發生在同一物種內。比如把魚的一個基因從其DNA鏈上切下來，通過一定方法將它連接到西紅柿的DNA鏈上，于是西紅柿的遺傳物質里就有了不屬于自身的基因，我們可以把這個過程稱為轉基因。基因敲除并沒有改變基因位置，只是在原有基因上進行清除改造，目前將之歸屬于基因編輯范疇為佳。比如將豬的某個基因破壞掉，使之失去功能，與之對應的性狀就會發生改變。一個生物個體的遺傳物質包含了億萬個核苷酸對（生物體內核苷酸是成對存在的），比如人有近30億對，大鼠有超過27億對，豬有超過24億對。在如此多的核苷酸中，一個或幾個發生了變化，我們認為DNA發生了編輯。雖然只有少數核苷酸發生了變化，但可能產生巨大的效果。

改變某生物DNA中一個或幾個核苷酸，對生物體產生的影響，可能是不利的，比如造成某些遺傳疾病；但也可能是有利的，比如增加產肉量。我們可以利用這種方法對某些生物個體進行基因編輯，使之朝著有利于人類社會的方向改變。這一點在畜牧水產、農作物、醫學動物模型上具有重要的應用價值。舉一個畜牧業上的例子，我們飼養肉用家畜主要是為了獲取瘦肉，研究發現豬、牛等動物有一個基因，這個基因的作用是抑制肌肉的發育，也就是說這個基因使得動物肌肉生長受限，如果通過基因編輯的方法破壞掉這個基因，那么肌肉會生長得更豐滿，從而獲得更多的瘦肉。只需改變這個基因的幾個核苷酸，就能得到更多的肉，每頭豬或牛產肉增多，生產效率提高。于生產者，于消費者，都是有利的。那么，這是科研工作者天馬行空的想象嗎？其實不然，這種現象自然界固有之。比利時有一種牛叫比利時藍牛，這種牛天生肌肉豐滿，產肉率明顯高于其他牛品種，原因在于抑制肌肉生長的基因（MSTN）在進化過程中自然地發生了變化，不再具有活性，故出現了肌肉豐滿的性狀。我們人為地在其他動物中改變這個基因，使得比利時藍牛的偶然現象擴大化，提高畜牧養殖的生產效率，這是對大自然“杰作”的一種模仿和應用。

3 基因編輯豬

基因組編輯技術是近年來發展起來的可以對基因組完成精確修飾的一種技術，可完成基因的定點刪除、插入和點突變等。豬是人類主要的食肉來源之一，同時也是生物醫學研究中不可或缺的模式大動物。傳統的選育方法耗時長，成本高昂，效果有限，阻礙了豬的經濟性狀遺傳改良的快速發展。利用基因組編輯技術，可以快速對豬進行遺傳改良，特別是在醫學模型的改造上顯示出巨大的優勢。

基因編輯可快速構建基因突變或敲除基因。2015年，Qian等人利用ZFNs技術實現了肌生成抑制蛋白（Myostatin，MSTN）基因敲除豬，陽性豬出現了明顯的雙肌臀表型[1]。同年，Wang等人利用CRISPR/Cas9技術同樣實現了MSTN基因敲除豬[2]。在基因編輯動物中，是否有篩選標記是評價安全性的重要內容，因此，在基因編輯動物技術研究中，怎樣去除篩選標記一直以來是研究者關注的問題。但是在陽性率較低的現實下，篩選標記往往是必需的。目前比較通行的去除篩選標記的手段是利用Cre/LoxP重組系統。2016年，Bi等人結合利用CRISPR/Cas9技術和Cre/LoxP重組系統，實現敲除豬MSTN基因的同時，篩選標記可以通過雜交去除[3]，這在生物安全層面有重大意義。除了提高肉質等經濟性狀外，基因敲除也可以應用于抗病育種。某些細菌病毒入侵機制中需要關鍵的受體，如果我們能改變這些受體就可以達到抵御病原入侵的目的[4]。2017年，Burkard等人敲除了豬藍耳病受體CD163的一個結構域，攻毒實驗顯示可以抵御豬藍耳病毒感染[5]。這啟示我們在防疫過程中除了藥物防疫之外還有一條更加有效的捷徑，可以利用基因編輯技術實現徹底地抵御某種病原。基因敲除的目的是破壞某個基因，現在我們有更精確的技術實現基因功能阻斷。單堿基突變技術只需突變一個堿基，在基因外顯子制造終止密碼子，致使蛋白質翻譯過程提前終止，達到基因阻斷的目的。2017年，Billon等人利用單堿基突變技術高效地在基因外顯子區域引入終止密碼子[6]，為基因敲除技術開辟了新的天地。

與基因敲除相比，基因敲入技術較為困難。20 14年Cui等人將人乳鐵蛋白基因和溶菌酶基因敲入到豬基因組[7]，使之在豬的乳腺中表達，從而成功構建了乳腺反應器。2015年Peng等人利用CRISPR/Cas9技術將人白蛋白基因敲入豬的基因組，從豬血清中提純獲得人白蛋白[8]；同年Ruan等人同樣利用CRISPR/Cas9技術定點敲入基因，發現豬基因組中有一個可以使敲入基因高表達的位點[9]。通過基因敲入實現抗病育種有強大的優勢，因為動物獲得的這種抗性是可以遺傳給后代的，這使得一個品系永久擁有這種抗性，潛在經濟價值不言而喻。20 17年趙建國團隊通過在豬基因組中敲入UCP1基因，使得初生仔豬抗寒能力增強[10]，提高了仔豬生活力，對養豬業有重要的現實意義。同年，Gao等人將NRAMP1基因敲入到牛基因組，實現了牛對結核分枝桿菌的抗性[11]，這說明基因編輯抗病育種在多種家畜上均可應用。Park等人利用CRISPR/Cas9技術敲入基因時，采用了Cas9蛋白而不是質粒[12]，降低了外源基因組殘留的概率，對無標記基因組修飾有參考意義。在醫學動物模型方面基因敲入豬也顯示出巨大優勢，2017年賴良學團隊成功構建了Cas9蛋白誘導表達豬，并且在此模型上成功模擬了肺癌的發生[13]，為人類腫瘤醫學提供了重要的研究材料。此外，由于豬的生理與人體相似，豬作為器官移植的供體也越來越受到醫學界的關注[14]。為了解決人體對豬器官的免疫排斥，必須對豬進行基因改造，此過程是通過基因編輯技術實現的。隨著CRISPR/Cas9介導的基因敲入技術的發展，精準、安全、高效的基因敲入給生物安全以保障，將給養豬業帶來巨大的效益。

4 基因編輯與生物安全

對轉基因問題的辯論點在哪里？安全、倫理是焦點。安全性問題首先要討論的是基因操作技術本身的安全性。轉基因技術也是經歷了一系列的發展，技術手段不斷改進。最新的基因操作技術CRISPR/Cas9技術，以及前期的ZFN（鋅指核酸酶）技術、TALEN（轉錄激活因子樣效應物核酸酶）技術等都能做到精確的基因編輯，這些技術能在DNA鏈精確目標位置上發揮功能。基因打靶就像在浩瀚的核苷酸海洋里確定一個目標然后導彈制導打靶，以往技術不成熟，基因打靶是“打哪指哪”；現在技術成熟了，是“指哪打哪”。這是質的轉變，直接把基因編輯技術從“摸黑”的困境引領到“光明大道”。當然，基因編輯技術也會存在一定的風險，我們必須評估風險，不斷改進技術把風險控制在可接受的安全范圍內。

轉基因食品的安全性很多國家已經制定了評估標準，我們國家也有嚴格的評估標準。與幾個轉基因農作物種植大國例如美國、加拿大等國相比，我國對待轉基因作物的態度是十分謹慎的，目前我國批準種植的轉基因作物只有棉花和番木瓜兩種。世界范圍內大面積種植的轉基因玉米、油菜、棉花、大豆等已經昭示一個現實：無論如何，必須接受轉基因作物的存在。已經批準上市多年的轉基因食物，并沒有出現不良反應。實踐是檢驗真理的唯一標準，多年的實踐已經很大程度上證明了其安全性。當然，是否接受轉基因食品，個人有選擇的自由，莫要把自己的觀點強加于他人，重要的是，如何對待轉基因產品要建立在理性、科學的基礎上，切莫跟風。目前轉基因產品絕大部分是植物，這是因為植物的結構、生長發育過程相對簡單，基因容易操作控制的原因。但是，基因操作技術發展到今天，在動物上的應用已經可行，基因編輯動物或轉基因動物必然是發展趨勢。2015年11月，美國批準轉基因三文魚上市，這是第一個上市的轉基因動物，也必定不會是最后一個。

其實，利用基因操作技術生產的生物產品不局限于我們的食物，很多疫苗、藥品都是基因工程產品，基因編輯、轉基因等就是基因工程的基本手段。所以，利用基因操作技術生產的產品就在我們身邊，很多人也享受過基因操作技術帶來的好處。譬如被狗咬傷，我們會去打狂犬疫苗，而狂犬疫苗就是利用基因編輯技術得到的。依靠基因編輯技術我們得以防止狂犬病的發生，這說明我們研發基因操作技術的初衷就是利用它為人類服務，現實也的確如此。

倫理問題是一個棘手的問題，轉基因技術剛剛興起時，只是在科研層次進行，這個問題還未凸顯。但是科研是為實際生產服務的，隨著轉基因技術的發展成熟，必然會到生產層面上，當轉基因進入到與我們息息相關的食品中時，轉基因大討論也隨之而來。

關于倫理問題的討論，無非兩個方面：于人類社會，于生物本身。對于行使基因操作技術行為的主體，人類是在發揮主觀能動性改造世界，還是在挑戰大自然平衡。正確看待這個問題，首先不能神化或妖化基因操作技術，其次不能跟風起哄。從科學理性的角度來看，科研領域里我們認識基因、改造基因、利用基因，是人類認知生命現象的一種方法，是合理的。基因操作技術從科研領域轉到實際生產，這應該是必然的。畢竟，科學研究的目的就是指導實踐。科技成果給生產生活帶來的革新和便利是事實，有些科學技術確實是雙刃劍，不管是它本身瑕不掩瑜，還是出于現實的無奈，我們依然冒著潛在的風險利用它，好比明知道核能的危險卻依然不得不盡量做好安防措施以利用之，因為我們需要能量。我們對基因操作技術的依賴性還沒有到如此地步，畢竟，靠現有的手段還能基本滿足人類社會對食物的需求。但是在未來，這種狀態是否可以持續，無從而知，但是有一點，未雨綢繆一定是明智的。對于生物體本身，人為的基因編輯是否違背自然法則，或者是否違背自然界的倫理道德。這些討論都忽略了一個前體：人類社會的特殊性。人類社會利用有限的資源，有限的空間，承載大量人口，這對于其他生物是不可能的。能實現如此目的，原因是人類改造自然界的能力，我們可以人為培育我們需要的資源，只要是可再生的我們就可以持續再生產。因此，人類社會控制下的農作物、家養動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，人類社會在利用資源時，殺戮和血腥是必然存在的，這也無需掩飾。在一個文明的社會里，我們能做的，是盡量在利用資源時合理合規，節約資源，良好的生產養殖規范，遵循動物福利的屠宰流程等等。在某種意義上，提高農業生產的效率，就相應地減少對自然野生資源的索取，是間接地保護自然資源。因此，不僅僅是基因操作技術，所有以提高生產效率為目的的技術應用于實踐，在嚴格的安全性監督下，都值得嘗試。

5 展望

基因敲入、基因敲除、基因編輯等基因層面的操作技術還處在不斷發展和完善階段，同時生物安全問題和相關的監管條例需要由國家層面來制定。越來越多的功能基因被解析，理論上可以利用基因編輯技術改造某些功能基因加以利用，這使得基因編輯技術應用前景越來越廣泛。基因編輯技術有力地推進了豬遺傳育種的進程，短時間內即可實現遺傳改良，在豬遺傳育種中的廣泛應用是必然趨勢。

關于轉基因技術的爭議，依然如火如荼地進行著；轉基因技術應用于生產，任重而道遠。科研工作者需要不斷開發完善更加安全有效的基因操作技術，社會上需要更多的普及和推廣。人類認識了基因，對之改造加以利用，若有益，利用之；若有害，摒棄之。今天我們害怕“轉基因”，究其原因，依然是不了解導致。未來，整個社會都能正確理性對待這個新技術及其產品，于科學研究，于人類社會發展，甚好。

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