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文档简介
转基因动物研究进展及前景/r/n摘要:近年来生物科学技术飞快发展,转基因技术在研发方面取得了全球性的进展,并已显示了极高的效益,本文综述了转基因技术的原理及转基因技术的主要操作手段,重点阐述了转基因技术用于动物科学的各个领域的研究进展及突破性成果/r/n,/r/n尤其在基因功能探索、转基因动物育种(提高性能及抗病育种)、生物医学研究(生产药用蛋白和人类疾病模型)等方面的广泛应用,并提出了转基因动物技术存在的一些技术难题和安全性问题,最后对转基因技术的未来发展进行了展望。/r/n关键词:转基因技术;转基因动物;性状改良;生物反应器;疾病模型/r/nResearchprogressandProspectoftransgenicanimals/r/nAbstract:Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofbiologicalscienceandtechnology,transgenictechnologyhasmade/r/nglobalprogressinresearchanddevelopment,andhas/r/nshownhighefficiency./r/n/r/nInthispaper,theprincipleoftransgenictechnologyandthemainoperationmethodsoftransgenictechnology/r/nwere/r/nreviewed./r/n/r/nThispaperfocuse/r/nd/r/nontheresearchprogressandbreakt/r/nhroughachievementsoftransgenictechnologyinvariousfieldsofanimalscience,especiallyingenefunctionexploration,transgenicanimalbreeding(improvingperformanceanddiseaseresistancebreeding),biomedicalresearch(producingmedicinalprotein/r/nandhumandiseasemodel),etc./r/n/r/nSometechnicalproblemsandsafetyproblemsoftransgenicanimaltechnologywereputforward.Finally,thefuturedevelopmentoftransgenictechnologywasprospected./r/nKeywords:transgenictechnology;transgenicanimal;trait/r/nimprovement;bioreactor;diseasemodel/r/n引言/r/n近年来,生命科学领域迅猛发展,在对生物体从宏观到微观的研究中取得了较大的突破,分子生物学,/r/nDNA/r/n重组,细胞融合等技术日渐成熟,转基因技术得以诞生。/r/n1974/r/n年/r/nJaenisch/r/n和/r/nMintz/r/n将猿猴空泡病毒(/r/nSV40)/r/n的/r/nDNA/r/n注入小鼠胚泡中,随后检测其子代鼠,发现约百分之四十的子代鼠器/r/n官中整合有外源基因,且未产生肿瘤的迹象,该项研究创造了首只转基因小鼠,成为生命科学领域的突破性成就,此后转基因技术便被广泛探究,在动物,植物,微生物/r/n等领域取得了巨大的发展,其操作方法及技术也不断革新,为人类社会创造了巨大的效益。动/r/n物作与人最相关的研究对象,在基础研究,疾病分析,药物开发,及安全检测等方面扮演着重要的角色,转基因技术的发展使动物的研究产生了新的价值。/r/n转基因技术应用于动物研究,在动物的品种改良,生物反应器的开发,人类疾病模型和药物筛选模型的的建立,以及异种器官供体的构建等领域不断发展,并已取得了显著的成就,具有广阔的应用前景和巨大的发展潜力。但其作为一门新兴技术也面临着巨大的挑战,/r/n转基因动物也存在诸多问题,如新的疾病的产生,畸形、不育、以及发育过程中面临的种种隐患等/r/n[1]/r/n。所以更加深入研究基因作用的分子机制及影响因素等,从而探索这些问题的产生原因及解决方案。此外,这些转基因产品如果为人所用,必须通过国家相应的安全评定,各国都制定了转基因产品的相应评定标准,旨在让这项新型的技术更加安全,可靠地发展,从而更好地为人类服务/r/n[2]/r/n1/r/n转基因技术概述/r/n转基因技术是指有针对性地选择优质的外源基因,通过体外修饰后转移到受体细胞中,从而达到人为改变生物性状的目的。转基因技术包括转基因重组子的构建/r/n技术,基因导入受体细胞内技术,及基因在受体细胞稳定整合技术并正确表达技术等。通过该技术可以快速高效地转移并整合目的基因,既可在相同物种中实现,也可在不相关的物种中实现。通过基因工程的方法/r/n将外源基因插入动物生殖细胞的基因组/r/n而/r/n获得具有插入基因特性,并能正常繁衍的动物称为转基因动物/r/n(/r/ntransgenic/r/n/r/nanimals/r/n)/r/n1.1/r/n转基因技术原理/r/n转基因技术基于/r/n自然界大部分生物共用一套/r/n遗传密码/r/n,且/r/n各种生物/r/n遗传信息的流动都/r/n服从“中心法则”/r/n。/r/n因此/r/n当/r/n目的/r/n细胞内/r/n特异性插/r/n入另一物种或人工合成的/r/nDNA/r/n后就可能/r/n合成新的蛋白质,从而获得/r/n新的性状。/r/n转基因技术即有针对性地选择外源基因,并通过生物化学及分子生物学等方法体外修饰目的基因片段,然后将该基因片段转移到受体细胞中并整合到特定位点稳定表达,从而人为改变生物性状。/r/n1.2/r/n转基因的技术手段/r/n转基因技术涉及外源基/r/n因的/r/n获得,/r/nDNA/r/n重组子的构/r/n建、/r/n重组基因的/r/n导入、/r/n及/r/n转基因/r/n受体/r/n的培养/r/n体系/r/n等方面/r/n的研究/r/n内容。/r/n目的基因片段一般可以通过直接获取(如:从基因组文/r/n库或/r/ncDNA/r/n文库中获取,利用鸟枪法直接分离基因等),或人工合成的方式获得,获得目的基因片段后在体外利用生物化学及分子生物学等方式进行加工修饰,并插入载体。/r/n近年来,基因编辑技术被广泛使用,通过该技术可以特异性地在/r/nDNA/r/n分子序列中插入目的基因片段,准确高效地对靶基因进行定点改造,从而实现转基因等基因操作。目前较为常用的基因编辑技术主要有三种,即锌指核酸酶技术/r/n[3-7]/r/n(/r/nzincfingernulease,ZFN/r/n),转录激活因子样效应物核酸酶技术/r/n[8-12]/r/n(/r/nt/r/nranscriptionactivator-likeeffectornulease,TALEN/r/n),成簇的规律间隔的短回文重复序列(/r/nclusteredregularlyinterspacedshortpalindromicrepeats,CRISPR/r/n)/r/n/CRISPR/r/n相关蛋白/r/n[13-18]/r/n(/r/nCRISPR-associatedproteins,Cas/r/n)系统,它们作为重要的基因编辑工具,经历了多代改进升级,其准确性,效率及适用范围等性质都不断的优化,获得了更广阔的发展空间。/r/n将外源基因导入受体细胞并/r/n使其发挥作用的方法有很多,比较常用的技术有:病毒感染法/r/n(/r/n包括逆转录病毒/r/n[19]/r/n,腺病毒,及慢病毒等/r/n)/r/n,/r/nDNA/r/n显微注射法/r/n[20]/r/n,精子载体介导法/r/n[21]/r/n,胚胎/r/n干细胞介导法/r/n[22]/r/n,体细胞核移植技术/r/n[23]/r/n等。科研人员在实际操作中对各种技术优化升级,使其更好地用于转基因操作,基因工程研究在技术的进步中不断取得新的成果。/r/n2/r/n转基因动物研究进展/r/n2.1/r/n/r/n转基因在动物育种领域的应用/r/n转基因动物的培育工作主要针对改善动物的生存能力,环境适应力及转基因动物本身优良性状的优化等方面,如增强其抗逆,抗病及抗寄生虫的能力/r/n,提高其生长速度、并改善动物产品的质量和产量等。/r/n2.1.1/r/n转基因动物产品质量、产量等性状改良/r/n我国作为人口大国,食品资源一直都是人们关注的焦点,提高其品质及产量的/r/n研究是科研领域永久性的重点课题。/r/n从人们发现杂种优势以来,便致力于通过杂交育种的方式改良物种的性状,虽然通过该方式获得了具优良性状的品种,但由于该方式本身存在针对性差,效率低,育种周期长等缺点,限制了它的应用及发展。而转基因技术可以避免这些缺点,定向地改造目的性状,很大程度地节省了人力和物力。/r/n转基因技术自开发以来在改善动物各类性状,如生长速度、瘦肉率,产品品质,饲料利用率和抗逆及抗病虫害等方面已取得了较大的进展/r/n[24]/r/n。猪和牛等牲畜作为重要的肉类食品来源,已利用转基因技术不同程度地改善了其肉类产品的质量及营养价值,并且有些成果已获准开展转基因生物安全评价的中间试验。如/r/n2006/r/n年,/r/nLai/r/n等/r/n[25]/r/n,在猪胚胎中转入了秀丽线虫/r/nFat-1/r/n基因,成功的获得了富含ω/r/n-3/r/n脂肪酸的转基因猪,该转基因猪的肌肉和脂肪中不饱和脂肪酸含量大幅提高,从而提高了猪肉产品的营养价值。通过转基因技术改良/r/n动物产品性状最具代表性的/r/n一个例子为获/r/n美国/r/nFDA/r/n批准可食用的转基因三文鱼/r/n(商品名/r/n:AquAdvanage/r/n三文鱼)。/r/n2015/r/n年/r/nAquaBountyTechnologoes/r/n公司的科研人员利用原核注射的技术,将奇努克三文鱼的生长激素基因和大洋鳕鱼的抗冻蛋白基因转入了大西洋野生三文鱼受精卵中,从而获得了生长速度更快,抗逆性更强,体型更大的/r/nAquAdvantage/r/n三文鱼/r/n[26-27]/r/n。该转基因三文鱼是世界上首例获得美国食品和药品管理局(/r/nFoodandDrugAdministration/r/n,/r/nFDA/r/n)批准,认定其安全性,可进入市场销售,供/r/n人类食用的转基因动物类食品。/r/n转基因动物产品首次被批准可供人类使用,是世界转基因动物育种研究与产业化应用的历史性突破和里程碑事件/r/n[28]/r/n。/r/n2.1.2/r/n转基因动物抗病育种/r/n牲畜及禽类等经济动物传染病的爆发不仅给养殖业带来了巨大的经济损失,而且某些人畜共患病也严重威胁人类的安全。许多传染病疫苗严重缺乏,且由于病原微生物易变异的性质,导致已制备的疫苗频繁失效。此外抗生素的大量使用,不仅会破坏人类的免疫系统,而且还会给环境带来较大的负担。利用转基因技术培育强抗病力的新品种成为抗病/r/n育种的新手段。近年来,科研人员在动物转基因抗病育种领域做了大量的研究工作,利用转基因技术已在各种牲畜及禽类抗病育种中获得了突破性的进展。/r/n2015/r/n年,/r/nHu/r/n等/r/n[29]/r/n,基于对口蹄疫是由口蹄疫病毒/r/n(Footandmouthdiseasevirus/r/n,/r/nFMDV)/r/n的研究,利用转基因技术制备了针对猪整合素β/r/n6/r/n亚基/r/nFMDV/r/n受体的转干扰/r/nRNA/r/n的转基因猪,该转基因猪有效表达了针对猪整合素β/r/n6/r/n亚基的/r/nsiRNA/r/n,成功通过/r/nRNA/r/n干扰抑制了/r/nFMDV/r/n病毒在猪成纤维细胞中的繁殖,使该转基因猪不表现病理反应。此后,科研人员又利用转基/r/n因及基因编辑技术获得了抗猪瘟病毒/r/n(Classical/r/n/r/nswine/r/n/r/nfever/r/n/r/nvirus/r/n,/r/nCFSV)/r/n的转基因猪/r/n[30-31]/r/n。近年来,/r/n由非洲猪瘟病毒/r/n(African/r/n/r/nswine/r/n/r/nfever/r/n/r/nvirus/r/n,/r/nASFV)/r/n引起非洲猪瘟疫情在世界迅速蔓延,非洲猪瘟作为一种急性、强烈、严重的接触性传染病,严重阻碍了全球养猪业的健康发展。科研人员在免疫佐剂、疫苗等方面做了大量的研究,但都未显示出良好的效果/r/n[32]/r/n。而通过基因组分析,制备抗病转基因猪或基因编辑猪可能成为消灭该疾病的行之有效的办法。/r/n2.2/r/n/r/n/r/n转基因动物在医学领域的应用/r/n2.2.1/r/n生物反应器/r/n近年来,应用转基因动物乳腺生物反应器生产转基因药物蛋白被广泛研究,这种全新的生物药物生产模式具有成本低,效益高和产量高等优点。该类生物药物蛋白的研发已在许多领域取得突破性成果,这些生物医用蛋白在相关疾病的诊断和治疗等方面具有巨大的应用价值,如/r/n血清白蛋白、溶菌酶、/r/na1/r/n胰蛋白酶(/r/na1-AT/r/n)和乳铁蛋白等。我国在转基因动物生物反应器药物蛋白研发领域取得了显著成就,我国已/r/n利用猪,牛,羊等生物反应器成功表达了抗肿瘤蛋白,免疫球蛋白等药用及保健蛋白。/r/n2005/r/n年/r/n,/r/n中国农业大学李宁院士等,/r/n利用转基因体细胞克隆技术,分别获得了导入“人乳铁蛋白”、“人α/r/n-/r/n乳清白蛋白”、“溶菌酶”及“岩藻糖化蛋白”/r/n等基因并成功表达/r/n的转基因牛/r/n。/r/n此后,我国又陆续获得了/r/n携带有人胰岛素基因的转基因克隆牛,可能有效表达治疗人恶性肿瘤的/r/nCD20/r/n蛋白的转基因牛以及含转乳糖分解酶基因的转基因牛等,且一些药物蛋白的表达量处于/r/n世界领先水平/r/n[33]/r/n,推动着生物医学领域的发展。/r/n2.2.2/r/n人类疾病模型及药物筛选模型/r/n转基因动物在应用于人类疾病模型及药物筛选模型等方面具有重要作用,研究表明,许多疾病与基因遗传具有一定程度的相关性,而转基因动物是在分子、细胞、整体等层面研究目的基因的有利工具。在动物体中转入目的基因,研究外源基因在动物体中的表达规律,及产生效应,从而分析致病基因的致病机理,并进行药物的筛选与鉴定,对疾病的预防与治疗具有重要意义/r/n[34]/r/n。目前已建立了多种人遗传性疾病的动物模型如:阿尔茨海默症模型,骨关节炎模型及代谢障碍类疾病模型等/r/n[35-37]/r/n。/r/n2008/r/n年,刘忠华等利用体细胞核移植技术,成功制备了绿色荧光蛋白/r/n(/r/ngreenfluorescentprotein,GFP/r/n)转基因猪,该类转基因猪为人类疾病模型及异种器官移植的研究奠定了重要的基础/r/n[38]/r/n。此外,药物筛选模/r/n型如:抗肿瘤药物筛选模型及抗艾滋病病毒药物筛选模型等在新药的研发,药物毒性检测等领域发挥着重要的作用。/r/n2.2.3/r/n异种器官移植/r/n器官移植供体短缺一直是人类医学领域的一大难题,而异种器官移植可能是解决此问题的有效途径。/r/n动物异种器官移植供体研究主要是建立基因改造的克隆猪作为异种移植的供体。以猪作为异种器官移植的供体不仅因为其在体型大小、生理条件、器官/r/n发育和疾病发展等方面与人类相似,而且/r/n猪易于繁殖,供应量大,费用低廉,产业化的前景甚为乐观/r/n,以猪作为器官供体还可避免灵长类动物作为异种供体源的伦理问题,因此猪是人类异种器官来源的良好供体。但以异种动物猪作为器官移植的供体面临着许多问题,如会发生超急性排斥反应/r/n(hyperacuterejection/r/n,/r/nHAR)/r/n、迟发性排斥反应(/r/ndelayedxenotransplantationrejection,DXR/r/n)等,并且猪内源性逆转录病毒/r/n(Porcineendogenousretroviruses/r/n,/r/nPERVs/r/n)/r/n对病人也具有潜在风险。因此科学家通过基因编辑转基因等技术建立“器官巢”,并排除可能阻碍器官移植的干扰因素,为/r/n下一步利用体细胞核移植技术获得/r/n异种器官移植供体猪奠定了基础。在异种器官移植的研究中免疫排斥反应是一个重要的课题,免疫排斥反应会激活补体系统,并促使血小板凝集,活化/r/nT/r/n淋巴细胞,自然杀伤性细胞等,从而使异种器官无法在受体体内长期存活。/r/n2002/r/n年,/r/nLai/r/n等利用基因编辑/r/n技术获得了/r/na-1/r/n,/r/n3-/r/n半乳糖苷酶基因(α/r/n-1/r/n,/r/n3-galactosyltransferase/r/n,/r/nGGTA1/r/n)敲除猪/r/n[39]/r/n,该操作虽增加了异种/r/n器官在受体体内的存活时间/r/n[40]/r/n,但并未完全消除免疫排斥问题。/r/nRyszard/r/n等/r/n[41]/r/n用精子介导法生产出了转人衰变加速因子(/r/nhDAF/r/n)的转基因猪,在供体异种器官中转入人衰变加速因子和同源限制因子等补体结合蛋白的基因,使供体表达受体的补体调节蛋白,可有效结合受体的补体成分,抑制受体补体活化,从而缓解/r/nHAR/r/n反应/r/n[42]/r/n,随后在狒狒的心脏异种器官移植实验证实了/r/nHAR/r/n的减轻。对于在异种器官移植的/r/nDXR/r/n中起免疫排斥作用的自然杀伤性细胞(/r/nNK/r/n细胞),研究人员,通过在供体器官中转单链三聚体、转/r/nHLA-E/r/n和人β/r/n-/r/n微球蛋白等基因使/r/nNK/r/n细胞介导的细胞毒作用得到有效缓解/r/n[43-44]/r/n。近年来,在缓解异种器官移植过程中的免疫排斥问题等方面的研究已取得了较大进展,但异种器官在受体中的存活时间仍然有限,今后在该方面的研究将更注重内在机制等基础研究,从而更有效地对该免疫排斥反应进行控制/r/n[45]/r/n。/r/n3/r/n转基因技术面临的挑战及安全性问题/r/n近年来,转基因技术飞速发展,在转基因动物领域的研究虽然已经取得了较大的进展,但转基因动物的研究仍面临着操作成功率低,外源基因转入率低,即使成功转入的基因/r/n由于机体内的排异机制很快便沉默,且转入基因在/r/n宿主基因组中的行为难以控制等困难。转基因在插入宿主基组的过程中可能导致内源基因状态的改变(尤其是癌基因),其结果将导致转基因个体出现疾病,畸形等问题。当构建生物反应器时,存在转基因效率低,外源基因表达量低以及蛋白质没有正确折叠等问题。而建立药物筛选模型时也常常存在假阳性等问题。此外人们最关注的是转基因的安全性问题,转基因动物器官移植可能会增加“人兽共患”病的传播机会,;食品带来的非期望效应是不可预测的,如果不经过严格的安全审查直接进入市场,可能会带来安全隐患,如可能使食用者中毒或发生过敏反应等,有人指出因为/r/n动物的生存周期长,某些转入基因的特征可能导致动物体内对兽药、重金属等外源化学物质的累积,从而增加人类患病风险。此外,转基因动物携带外源基因,释放至环境中可能通过杂交导致“基因逃逸”,使外源基因转到其野生近缘种造成“基因污染”,危及生物多样性安全。/r/n4/r/n展望/r/n技术的发明和成果的创新都推进了/r/n人类社会的发展,然而任何一种新技术都会存在潜在的风险性。控制得当会给生活带了便利,相反,则有可能会带来灾难性后果。面对转基因技术,既要保障生物技术的健康发展,又要制定严格的转/r/n基因安全评价体系,全面的评估转基因技术带来的风险。对于转基因技术及转基因动物研究面临的问题及挑战,未来的研究方向将更注重于转基因的整合及表达调控机制等方面的基础研究,从而更安全有效地进行转基因等操作,使该技术更好地为人类社会服务。/r/n[/r/n参考文献/r/n]/r/n卢军锋,李/r/n/r/n晓,杨公社,等.我国转基因动物及其安全性评价发展现状[/r/nJ/r/n].中国兽医杂志/r/n,/r/n2018/r/n,/r/n54/r/n(/r/n2/r/n):/r/n62/r/n-/r/n64/r/n./r/n[2]/r/n/r/n邹世颖/r/n,/r/n/r/n贺晓云/r/n,/r/n/r/n梁志宏/r/n等/r/n./r/n转基因动物食用安全评价体系的发展与展望/r/n[J]./r/n农业生物技术学报,/r/n2015/r/n,/r/n23/r/n(/r/n2/r/n):/r/n262-266./r/n[3]ManiM,KandavelouK,DyFJ,etal.Design,engineering,andcharacterizationofzincfingernucleases[J].BiochemBiophysRes/r/nCommun,2005,355/r/n(/r/n2/r/n)/r/n:447-457./r/n[4]CarrollD.Genomeengineeringwithzinc-fingernuclease[J].Genetics,2011,188/r/n(/r/n4/r/n)/r/n:773-782./r/n[5]PalpantNJ,DudzinskiD.Zincfingernucleases:lookingtowardtranslation[J].GeneTher,2013,20/r/n(/r/n2/r/n)/r/n:121-127./r/n[6]MaederML,Thibodeau-Began/r/nnyS,OsiakA,etal.Rapid/r/n”/r/nopen-source/r/n”/r/nengineeringofcustomizedzinc-fingernucleasesforhighlyefficientgenemodification[J].MolCell,2008,31/r/n(/r/n2/r/n)/r/n:294-301./r/n[7]KimJS,LeeHJ,CarrollD.Genomeeditingwithmodularlyassembledzinc-fingernucleases[J].NatMeth/r/nods,2010,7/r/n(/r/n2/r/n)/r/n:91/r/n;/r/nauthorreply91-92./r/n[8]BaiJ,ChoiSH,PoncianoG,etal.Xanthomonasoryzaepv.oryzaeavirulencegenescontributedifferentlyandspecificallytopathogenaggressiveness[J].MolPlantMicrobeInteract,2000,13/r/n(/r/n12/r/n)/r/n:1322-1329./r/n[9]KayS,HahnS,Mar/r/noisE,etal.Abacterialeffectoractsasaplanttranscriptionfactorandinducesacellsizeregulator[J].Science,2007,318/r/n(/r/n5850/r/n)/r/n:648-651./r/n[10]JoungJK,SanderJD.TALENs:awidelyapplicabletechnologyfortargetedgenomeediting[J].NatRevMolCellBiol,201/r/n3,14/r/n(/r/n1/r/n)/r/n:49-55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