转基因技术应用前景 动物转基因技术的应用前景

2019-08-28

自Palmiter等(1982)把大鼠生长激素基因导入小鼠受精卵,获得超级巨鼠之后,各国科学家对转基因技术应用于动物生产的研究产生了极大兴趣,并相继获得转基因兔、羊、猪、牛等。早期的转基因通过受精卵原核注入方法,即以单细胞期受精卵为靶细胞,利用显微注射技术将构建好的载体DNA直接注射入受精卵的雄原核,并将注射的受精卵移入假孕母体输卵管继续发育,获得转基因动物个体。

转基因技术应用前景 动物转基因技术的应用前景
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该方法的优点是转入技术相对简单,易于操作。

缺点是目的基因是否整合、可否表达等情况无法在细胞阶段得到确证,必须在得到转基因动物后才能验证,这就增加了生产费用和时间。1997年克隆羊Dolly的诞生使得体细胞克隆技术成为制作转基因动物的一种新方法。

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科学家们将该技术与基因工程技术结合,形成了动物转基因克隆技术,并相继获得转基因克隆羊、转基因克隆猪和转基因克隆牛。这种方法的最大优点是在细胞水平对目的基因的整合和表达情况进行检测,选择目的基因整合在高效表达位点的细胞进行体细胞克隆胚胎生产,可使获得的转基因克隆动物全部表达目的基因。

转基因技术应用前景 动物转基因技术的应用前景
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动物转基因克隆技术的建立和发展极大地加快了动物转基因技术的迅猛发展和进入商业化的步伐。这项技术正在对动物生产产生一场新的革命,并在提高生长速度、生产性能,改善产品品质、抗病育种、功能蛋白生产等方面取得了可喜的进展,显示出诱人的应用前景。

一、动物转基因技术在医药领域的应用

(一)利用转基因动物乳腺生物反应器生产药用蛋白

所谓“基因药物工厂”就是利用转基因动物乳腺生物反应器生产具有生物活性的重组蛋白。药物蛋白虽能在微生物发酵罐中被大量的生产,然而,要保持药物蛋白完整的生物活性,必须对其进行翻译后修饰,而细菌和酵母却不能对药物蛋白进行有效的翻译后修饰加工。

利用转基因动物乳腺生物反应器生产药用蛋白不但产量高、成本低,能够保持药用蛋白天然活性,而且乳汁中的蛋白易于抽提和纯化,克服了传统方法中的种种缺陷。目前,利用乳腺生物反应器生产药用蛋白已进入到了商业开发阶段。

转基因山羊和绵羊乳腺生产的一些产品,如抗凝血酶Ⅲ(ATⅢ)已被欧盟和美国批准上市,α-抗胰蛋白酶、组织纤溶酶原激活剂(tPA)已进入了临床试验阶段。在生产ATⅢ的同家公司中,已有11种蛋白在转基因山羊乳腺中表达,表达量高达每升1克以上。

转基因兔乳中获得的α-葡糖苷酶具有孤儿药物成分,能成功治疗庞帕氏病(在美国,所谓的“孤儿药物”是指用于治疗那些患者数量少于20万人的稀有疾病药物)。

转基因兔乳中生产的C1抑制因子已经过Ⅲ期临床试验阶段并被登记注册。当前一种防治牙病的溶血球菌突变株的抗生素已经过Ⅲ期临床试验阶段,不久的将来有望投入使用。在2008年,全球市场所需的源于转基因家畜的重组蛋白价值超过10亿美元,2013年将达到186亿美元。

(二)利用转基因动物生产抗体

许多单克隆抗体已在转基因山羊乳腺中获得。一种双特异性抗体在转基因牛血液中获得了表达并能从血清中纯化。这种抗体比较稳定,能靶向介导T细胞的激活并杀死肿瘤细胞。在转基因动物方面,最引人注意的进展就是转人工染色体动物的诞生。

含有整个人免疫球蛋白重链和轻链基因座的人工染色体转入牛成纤维细胞,然后将阳性细胞作为核移植供体细胞。在转基因牛后代血液中获得了免疫球蛋白的表达。这种染色体系统的应用使得医用多克隆抗体生产迈出了重要的一步。

(三)利用转基因动物生产血液成分替代品

功能性人血红蛋白已在转基因猪体内获得。这种蛋白可以从猪血中纯化,而且其与氧结合的特性和自然态的人血红蛋白相似。然而,用转基因猪生产人血红蛋白的最大障碍就是猪血中人血红蛋白含量过低,有待进一步提高。

二、动物转基因技术在农业中的应用

转基因动物在家畜品种改良方面具有巨大的应用潜力。转基因技术在实际生产中的应用包括:提高家畜奶、肉、毛等产量和品质,提高生长率、饲料利用率,增强家畜抗病能力等。

(一)改善肉质

可通过改变动物体内影响肉质的基因来改善肉质。Rendement Napole(RN)基因与肉质的酸度有关。敲除RN基因后,肉中pH改变,肉的嫩度增加。一些与生长相关的基因也能影响肉质。研究表明,敲除小鼠体内myostatin基因,其产肉性能会大幅度增加。

改变肉中脂肪和胆固醇含量也是改善肉质的一条途径。通过改变脂肪和胆固醇吸收的代谢途径,可使肉中相应的脂肪和胆固醇含量降低。转有菠菜和线虫脂肪酸脱氢酶的转基因猪已经成功诞生,其体内的不饱和脂肪酸明显增加。转有脂肪酸脱氢酶的转基因猪体内横纹肌中不饱和脂肪酸与饱和脂肪酸比增加,这种富含不饱和脂肪酸的肉质被食用后,有利于降低患中风和冠状心血管病的风险。

(二)提高生长率、饲料利用率

通过转基因技术改变动物饲料利用效率也能提高家畜生产性能。通过改变动物胃肠道中的酶,提高其对营养成分的吸收率,从而提高饲料利用率。例如,可在猪或鸡体内转入植酸酶或木聚糖酶等基因,提高饲料利用率。

转基因动物为揭示复杂的生长基因调控机制提供了有利的手段。转有外源GH基因的转基因家畜和鱼已获得。研究表明,转入GH基因的鱼体内GH水平的增加使其生长率显著增加了30%~40%。转入GH基因一年后,其体重增加了5~11倍。

将生长激素基因转入猪体内,转基因猪在一些重要的经济性状(如生长率、饲料转换率和脂肪/肌肉比等)表现出了明显的改善。转人胰岛素样生长因子-1的转基因猪背腰增宽了30%,瘦肉率增加了10%,脂肪率降低了20%。

(三)改善乳质

1990年12月,美国的一家生物技术公司获得1头转人乳铁蛋白基因公牛,用该公牛的精液使非转基因母牛授精,生产的雌性后代中有1/4在其乳汁中表达了人乳铁蛋白,牛奶中人乳铁蛋白含量为1 000微克/毫升。现在该公司已经培育了100多头转人乳铁蛋白基因的奶牛。

为提高牛奶的营养价值,我国科学家先后获得一批转人乳清蛋白、人乳铁蛋白的转基因羊和转基因牛。这些转基因动物的乳汁更接近人奶,具有比自然牛奶更高的营养价值。

乳酪的产量与牛奶中κ-酪蛋白的含量直接相关,转入一个超量表达的κ-酪蛋白基因能够增加奶中κ-酪蛋白的含量。2003年,Brophy等在Nature Biotechnology上报道,通过转基因克隆技术提高牛自身基因组β-酪蛋白基因、κ-酪蛋白基因的拷贝数,使牛奶中β-酪蛋白的含量提高了8%~20%,κ-酪蛋白的含量提高了两倍,大大改变了κ-酪蛋白与总蛋白的比例。

此外,针对对牛奶过敏的人群和对乳糖消化能力差的人群,国内外科学家正在研发能生产低乳糖和非免疫排斥奶的转基因奶牛。

(四)提高羊毛产量和质量

可应用转基因技术控制毛的质量、颜色、产量甚至收获的难易度。转基因技术已经是用来检测毛质的重要指标。将来可用转基因技术改变羊毛纤维的一些特征,如增加纤维弹性及韧性,降低毛制品衣物的缩水性。

国外研究者尝试在转基因山羊乳中生产一种很有价值的纤维——拟蜘蛛丝牵丝蛋白。蜘蛛在织网时,需要合成7种丝。每种丝都有其不同的作用,并且这些丝不同于普通的丝。其中牵丝蛋白韧度非常强,能伸长35%,其产生的抗拉能量比钢还大。而且,这种纤维可以广泛用于医疗器械、弹道防御、航空和制衣等领域。

新西兰科学家获得转IGF-1基因的绵羊,转基因羊净毛平均产量比非转基因羊提高了6.2%。Bawden等将毛角蛋白Ⅱ型中间丝基因导入绵羊基因组并使其在毛皮质中特异表达,结果转基因羊毛光泽亮丽,羊毛脂的含量明显提高。

2005年,澳大利亚科学家通过测定成年转生长激素基因绵羊的生产性能发现,生长速度和羊毛产量都比对照组显著提高。这些研究结果表明,可以通过转基因技术提高羊毛产量和品质,从而培育产毛量高和品质好的转基因羊新品种。

(五)提高家畜抗病性能

奶牛乳房炎是严重危害奶牛养殖业的一种传染性疾病,严重影响奶牛产奶量、乳脂率以及牛奶的品质。世界范围内每年因奶牛乳房炎造成奶产量下降380万吨,直接经济损失高达350亿美元,仅美国的经济损失就达20亿美元。

金黄色葡萄球菌是引起乳房炎的主要病原体之一,目前不管是疫苗还是抗体都不能有效地抑制或者抵抗这种葡萄状球菌。2001年,Kerr等将溶葡球菌酶基因转入小鼠乳腺中,发现溶葡球菌素基因高表达的小鼠对由金黄色葡萄球菌引起的乳腺炎具有明显的抵抗能力。

2005年Donovan等将编码溶葡球菌酶的基因转入奶牛基因组中获得转基因牛,其乳腺中表达的溶葡球菌酶也可以有效预防由葡萄球菌引起的乳房炎,转基因牛葡萄球菌感染率仅为14%,而非转基因牛对照感染率达71%。

Maga等(2006)研究表明,转基因山羊表达的重组溶菌酶能有效抑制引起乳房炎的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的生长。我国科学家经过多年研究,已经获得转人溶菌酶、人防御素基因的抗乳腺炎克隆牛。

疯牛病(羊搔痒症)是严重影响人畜安全的重大疾病。现已证明,应用转基因技术可有效预防和控制这种疾病。2000年,McCreath等利用基因打靶技术和核移植技术培育出了去除引起羊搔痒症和疯牛病的PrP基因的转基因羊。

2007年,日本研究人员报道通过基因打靶技术将牛的PRNP基因双位点灭活,获得了存活了两年以上的转基因牛。在体外试验证明,这些转基因牛能够很好地抵抗疯牛病,这为生产不含朊蛋白的肉、奶制品提供了一种很好的方法。我国已经获得敲除PRNP基因的克隆牛。

口蹄疫病毒(FMDV)是一种在偶蹄类动物间传播并具有高度传染性的病毒,猪、牛、羊的发病率极高,并能形成大范围流行。国际兽疫局(OIE)将其排在A类家畜传染病首位。国内外科学家应用RNA干涉技术,针对口蹄疫病毒的保守区基因序列,设计了一批可显著抑制该病毒复制的小RNA干涉片段。

现已证明这些小RNA干涉片段的转基因细胞株可有效抑制口蹄疫病毒。上述研究结果,为研制抗口蹄疫病毒的转基因动物奠定了坚实基础。根据现在的研究进展,我国预计在两年内获得抗口蹄疫转基因克隆牛和抗口蹄疫转基因克隆猪。

结核病是全球广泛传播的人畜共患病。人与牛之间可以相互传染。国外科学家近年发现胞内病原抗性基因1(Ipr1)具有提高机体对结核分枝杆菌的免疫能力和抑制结核分枝杆菌在细胞内繁殖的功能。我国科学家已经将Ipr1基因转入牛的体细胞,并初步证明了该基因可增强牛巨噬细胞对结核分枝杆菌的杀伤作用,有效抑制结核分枝杆菌的增殖。

上述研究结果,为研制抗结核转基因动物奠定了坚实基础。根据现在的研究进展,我国预计在两年内获得抗结核转基因克隆牛。

牛病毒性腹泻病毒(BVDV)是一种严重危害初生牛犊的病毒。2007年,Lambeth等针对病毒基因组,应用RNAi干涉技术设计了有效的小RNA干涉片段,可以在细胞水平明显抑制BVDV病毒的感染和复制。我国科学家已经获得可显著抑制该病毒复制的小RNA干涉片段,并在此基础上,获得转小RNA干涉片段基因的牛体细胞株,为研制抗病毒性腹泻病转基因牛奠定了基础。

我国是一个家畜养殖大国,但又是一个家畜养殖业极不发达国家,现在仍然处于“数量多、质量低、成本高、产出少”的数量养殖型的初级阶段。良种匮乏,牛、羊、猪个体质量差,产出低,成为我国畜牧业发展的瓶颈。此外,家畜的乳腺炎、口蹄疫、结核、蓝耳病、猪瘟等造成的经济损失极大,严重威胁我国畜牧业生产的可持续发展。

针对上述阻碍畜牧业发展的重要问题,集成基因工程和胚胎工程技术,定向导入和重组能够提高奶、肉、毛产量、品质和抗病性能的基因,进行胚胎转基因育种,培育优质、高抗家畜新品种,从根本上提升畜牧养殖业的整体水平和综合竞争能力,现在这已成为构筑我国现代畜牧业的基石和进一步实现跨越式发展的极为关键的条件和迫切需要。

这对于推进优质、高效畜牧业发展和社会主义新农村建设,确保我国食物安全和国民生活水平的提高都具有十分重要的战略意义。

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