編者按：

美國基因編輯豬已上市，不僅可以食用，還可以藥用。基因修飾動物產(chǎn)業(yè)正在加速發(fā)展，將會給人們生活帶來哪些影響，未來又將何去何從？光明網(wǎng)基因科普團隊針對相關(guān)問題邀請專家進行權(quán)威解讀。

作者：湯波 國科現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新研究院 研究館員

趙毅強 中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 副教授

近日，美國FDA正式批準一種無α-半乳糖的基因修飾豬可用于生產(chǎn)食品和醫(yī)藥產(chǎn)品等潛在用途，這是全球首個獲得批準的基因修飾豬產(chǎn)品，也是第五個獲批的基因修飾動物產(chǎn)品，標志著全球在基因修飾動物產(chǎn)業(yè)化呈加速趨勢，將為人類健康帶來深遠影響。

“跑步”進入基因編輯時代

基因修飾動物是利用轉(zhuǎn)基因、基因打靶和基因編輯等基因修飾技術(shù)，改變動物的基因組，使其表現(xiàn)出某些特殊的性狀或功能。從發(fā)展歷史來看，基因修飾動物可以分為三個主要發(fā)展階段。

第一個階段是20世紀70年代末到20世紀末，以外源基因轉(zhuǎn)入，即轉(zhuǎn)基因動物為主。1980年，世界上第一只快速生長的轉(zhuǎn)基因小鼠誕生，讓人們看到了轉(zhuǎn)基因技術(shù)在動物新品種培育方面的潛力。1982年，轉(zhuǎn)基因小鼠乳腺中首次表達出外源蛋白，科學(xué)家開始設(shè)想將轉(zhuǎn)基因動物改造成活體“制藥車間”，以開創(chuàng)生物制藥全新模式。80年代中后期到90年代初，轉(zhuǎn)基因豬、羊、牛、雞、魚類等農(nóng)業(yè)動物相繼培育出來，后來被批準上市的轉(zhuǎn)基因動物產(chǎn)品大多誕生在這一時間內(nèi)。不過這種轉(zhuǎn)基因技術(shù)有一個重要缺點，即外源基因是隨機整合到基因組中，能不能表現(xiàn)出目標性狀，表達水平是高是低，都完全靠運氣。

快速生長轉(zhuǎn)基因小鼠（Nature）

第二個階段是20世紀80年代末到2010年，以基因敲除動物為主。人類數(shù)千種遺傳病大多由單個基因突變造成，科學(xué)家們希望能將這些突變基因去掉或更正，從而治療遺傳病。1985年，美國分子生物學(xué)家馬里奧·卡佩奇（Mario Capecchi）和奧利弗·史密斯（Oliver Smithies）分別獨立建立動物基因打靶技術(shù)，培育出基因敲除小鼠。這項技術(shù)可對目標基因進行定點修飾，即將一些突變基因敲除，也可人為引入一些基因突變，在基因治療、功能基因研究、異種器官移植等方面應(yīng)用廣泛。2007年，卡佩奇和史密斯與發(fā)明胚胎干細胞技術(shù)的英國發(fā)育學(xué)家馬丁·埃文斯（Martin Evans）共享了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。不過，由于家畜胚胎干細胞技術(shù)不成熟，基因打靶技術(shù)在誕生后的十幾年里一直局限于人類細胞和小鼠身上。直到1996年體細胞克隆綿羊多利誕生后，家畜基因打靶技術(shù)才開始流行起來，基因敲除豬、羊、牛等相繼培育出來，包括最近被美國FDA批準的無α-半乳糖基因敲除豬。

第三個階段是20世紀90年中期至今，進入基因編輯時代。基因打靶技術(shù)雖然能對目標基因進行修飾，但是效率極低，往往在上千個甚至上萬個細胞中才能篩選出少數(shù)幾個基因敲除細胞，獲得基因敲除動物難度更大，而且一次只能對單個基因進行修飾。不過，從20世紀中期開始，以鋅指核酸酶技術(shù)、TALEN技術(shù)和CRISPR/Cas9技術(shù)為代表的基因編輯技術(shù)相繼誕生和成熟，特別是2013年誕生的CRISPR/Cas9技術(shù)，如同Word軟件對文字進行編輯一樣，實現(xiàn)了在基因組上進行定點、批量、高效率基因修飾，催生了無角基因編輯牛、抗藍耳病基因編輯豬、雙肌臀基因編輯羊等重大基因修飾動物新品種。隨著各國基因編輯監(jiān)管政策的明晰和放開，將會有更多具有重大應(yīng)用價值的基因編輯動物進入市場。

“修飾”人類生產(chǎn)和生活

基因修飾動物在農(nóng)業(yè)動物新品種培育、生物新藥創(chuàng)制、異種器官移植、生命科學(xué)基礎(chǔ)研究和重大疾病機理研究等方面都展現(xiàn)出巨大應(yīng)用前景。

新品種培育是動物基因修飾技術(shù)最早的應(yīng)用方向，可以培育具有生長快速、品質(zhì)改良、抗病力強等優(yōu)良性能的動物新品種。2015年，經(jīng)過近20年的食用安全和環(huán)境安全評價，加拿大和美國FDA相繼批準快速生長型轉(zhuǎn)基因三文魚，開了食用轉(zhuǎn)基因動物上市的先河。最近，美國、英國和中國等國家培育的無角基因編輯牛、抗藍耳病基因編輯豬、乳球蛋白基因敲除奶牛等新型動物品種，也有希望進入市場。英國科學(xué)家培育的不育轉(zhuǎn)基因蚊子已在巴西實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)，美國也已批準其在佛羅里達州開展野外放飛試驗，這種轉(zhuǎn)基因雄蚊攜帶致死基因，與之交配的野生雌蚊正常無法繁育后代，從而可控制蚊蟲種群數(shù)量，減少登革熱、寨卡、黃熱病等蚊媒傳染病的傳播。

2015年美國獲準食用轉(zhuǎn)基因三文魚上市（NPR）

生物制藥技術(shù)包括基因工程細菌、基因工程動物細胞以及基因工程動物三種主要技術(shù)。目前基因工程動物細胞是生物制藥的主流技術(shù)，但是基因工程動物制藥技術(shù)則表現(xiàn)出成本低、投入少、效率高等優(yōu)勢。2009年、2014年和2015年，美國FDA分別批準轉(zhuǎn)基因山羊、轉(zhuǎn)基因兔和轉(zhuǎn)基因雞生產(chǎn)的重組蛋白藥物上市，標志著科學(xué)家們希望將活體動物改造成“藥物車間”的夢想實現(xiàn)。基因修飾動物另一個重要貢獻是治療性單克隆抗體的篩選，特別是免疫基因修飾小鼠。一般是利用基因打靶技術(shù)或基因敲除技術(shù)將小鼠自身的免疫球蛋白基因簇全部刪除，同時轉(zhuǎn)入人類免疫球蛋白重鏈基因和輕鏈基因，當注射抗原時，這些小鼠就會產(chǎn)生全人源免疫球蛋白，從中可篩選出特異性的單克隆抗體。自2006年第一個由基因修飾小鼠平臺獲得的治療性單克隆抗體上市以來，已有19種源自免疫基因修飾小鼠的單克隆抗體上市，占已上市全人源單克隆抗體藥物的2/3，在癌癥、自身免疫性缺陷、骨質(zhì)疏松等疾病治療中發(fā)揮了重要作用。

異種器官移植則是動物基因修飾技術(shù)的另一個研究熱點。器官短缺是全球面臨的重大醫(yī)學(xué)難題，豬被認為是異種器官的理想供體。異種器官移植最大障礙是嚴重免疫排斥反應(yīng)，因為豬細胞表面有一些人體所沒有的抗原分子，如α-半乳糖。通過基因修飾技術(shù)，將豬的細胞特異抗原基因敲除，并轉(zhuǎn)入人體基因，可將豬的細胞偽裝成人體細胞，以躲避人體免疫系統(tǒng)的“圍剿”。目前基因修飾豬心臟、肺臟、腎臟等器官均完成了非人靈長類動物的異種移植臨床前試驗評價，最長存活時間可達900天以上，預(yù)計近期將可能進入臨床試驗。2020年12月14日美國FDA批準的無α-半乳糖基因敲除豬也將加快這一進程，也是全球首次批準同一個基因修飾生物的食用和藥用兩種用途。值得一提的是，異種器官移植也受到資本市場的追捧，哈佛大學(xué)著名遺傳學(xué)家喬治·丘奇（George Church）教授創(chuàng)立的異種器官移植公司及其中國子公司已獲得近2億美元的風(fēng)險投資。

基因修飾動物在疾病模型制備和生命科學(xué)基礎(chǔ)研究等領(lǐng)域也發(fā)揮著極其重要的作用。通過引入人類遺傳病相同的基因突變，可將基因修飾動物改造成模擬人類疾病的動物模型，用于疾病機理研究和新藥驗證，基因修飾小鼠、豬和猴等人類疾病模型較為常見，如模擬人類亨廷頓病的基因編輯豬和模擬人類自閉癥的轉(zhuǎn)基因猴等。每年成千上萬種轉(zhuǎn)基因小鼠、斑馬魚、果蠅等模式動物被世界各國的研究人員培育出來，為功能基因挖掘、新藥驗證等生命科學(xué)基礎(chǔ)研究默默地做出重要貢獻，基因修飾小鼠也發(fā)展成為一個重要的生物產(chǎn)業(yè)。

希望與爭議該何去何從

未來將有更多的基因修飾動物及其產(chǎn)品進入市場，特別是基因編輯動物將更受青睞。2020年10月7日，在發(fā)明CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)8年后，法國生物學(xué)家埃曼紐爾·卡彭蒂耶(Emmanuelle Charpentier)和美國生物學(xué)家的詹妮弗·杜德納(Jennifer Doudna)榮獲2020年諾貝爾化學(xué)獎。除了在基因治療方面具有巨大應(yīng)用前景之外，基因修飾動物則是基因編輯技術(shù)另一個重大應(yīng)用領(lǐng)域。早在2016年3月，國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然》就用封面故事的形式，準確預(yù)測了基因編輯動物時代的到來。據(jù)2019年5月《自然》雜志網(wǎng)站報道，隨著中國和美國積極開展基因編輯動植物新品種研發(fā)，基因編輯市場蓬勃發(fā)展，原本對基因修飾技術(shù)持謹慎態(tài)度的俄羅斯也對基因編輯技術(shù)敞開了大門，推出了一項耗資1110億盧布（17億美元）的聯(lián)邦計劃，希望2020年前研制出10種新的基因編輯動植物新品種，到2027年再研制出另外20種。

喬治·丘奇團隊的無內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒基因編輯豬帶來異種器官移植新希望（Science）

另外，各國對基因編輯生物可能會采取比轉(zhuǎn)基因生物更為寬松的監(jiān)管措施，也將加速基因編輯生物的產(chǎn)業(yè)化。最近，美國政府計劃將基因編輯畜禽的監(jiān)管權(quán)從FDA劃歸農(nóng)業(yè)部，受到美國豬肉生產(chǎn)者理事會等畜禽產(chǎn)業(yè)組織的歡迎。美國FDA之前明確表示，任何基因修飾動物都將按新動物藥物繼續(xù)監(jiān)管，而美國農(nóng)業(yè)部則表示將不會基因編輯生物進行過度監(jiān)管。

不過，與轉(zhuǎn)基因作物一樣，目前基因修飾動物也存在一些爭議。基于宗教信仰、科學(xué)素質(zhì)等因素，有些人很難接受經(jīng)過任何基因修飾的動植物，如有人將轉(zhuǎn)基因三文魚描匯成“科學(xué)怪魚”。另一些人對基因修飾動物的動物福利、生態(tài)影響等方面提出質(zhì)疑。更多的人則基因修飾動物的安全性表示擔(dān)憂。不過基因修飾農(nóng)業(yè)動物在批準上市之前，都經(jīng)過了嚴格的食用安全和環(huán)境安全評價，在確保其與非基因修飾的天然動物具有等同安全性之后才會正式批準。相對而言，基因編輯動物的市場接受度要顯著高于轉(zhuǎn)基因動物。

正如中國科學(xué)院副院長周琪院士等人在《國家科學(xué)評論》上指出，大型動物基因編輯技術(shù)的快速發(fā)展催生了許多對人類疾病模型、異種移植和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟有價值的基因編輯動物。隨著對現(xiàn)有基因組編輯系統(tǒng)的進一步優(yōu)化以及用于精確基因修飾的新工具持續(xù)產(chǎn)生，將進一步加快用于農(nóng)業(yè)、再生醫(yī)學(xué)和治療應(yīng)用的基因修飾動物、器官和組織的發(fā)展。