我國(guó)轉(zhuǎn)基因豬的研究進(jìn)展

潘登科

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所，北京 100193）

多少年來(lái)，育種學(xué)家夢(mèng)寐以求可以按照我們的需求定向地培育人們需要的品種，但是這太難了，一個(gè)新品種的培育通常要10年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間。傳統(tǒng)育種，本質(zhì)上是利用天然的有性生殖過(guò)程把有用的基因從一個(gè)品種轉(zhuǎn)到另一個(gè)品種，但轉(zhuǎn)移過(guò)程是隨機(jī)的，把有用的基因轉(zhuǎn)移了，同時(shí)也可能把不好的基因轉(zhuǎn)過(guò)去了，那就再通過(guò)不斷地選育來(lái)獲得所需的育種材料。隨著現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)和繁殖技術(shù)的發(fā)展，轉(zhuǎn)基因育種已成為短時(shí)間培育品種的新選擇。轉(zhuǎn)基因技術(shù)就是在實(shí)驗(yàn)室操縱基因，把需要的基因搬到需要改良的品種中去，轉(zhuǎn)基因育種只是增加或者改造了一個(gè)我們需要的性狀，這是傳統(tǒng)育種辦不到的。

轉(zhuǎn)基因豬的制備就是將目的基因首先整合到生殖細(xì)胞或體細(xì)胞，然后通過(guò)原核注射法、精子載體法和體細(xì)胞核移植法獲得轉(zhuǎn)基因胚胎，最后胚胎移植到同期發(fā)情的受體母豬體內(nèi)發(fā)育，出生的仔豬通過(guò)分子生物學(xué)鑒定是否為轉(zhuǎn)基因豬。目前，轉(zhuǎn)基因豬的研究主要是改變豬在生長(zhǎng)、抗病和肉品質(zhì)等性狀，人類疾病的動(dòng)物模型或者使豬的組織器官能夠成為人類器官的替代品。轉(zhuǎn)基因豬已成為農(nóng)業(yè)和醫(yī)學(xué)研究及開(kāi)發(fā)的重要領(lǐng)域，并逐漸發(fā)展成為很有商業(yè)前景的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。

原核注射法和精子載體法制備轉(zhuǎn)基因豬因整合效率低和遺傳不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，目前很少使用。1997年首例體細(xì)胞克隆羊“多莉”獲得成功以后，體細(xì)胞克隆技術(shù)在轉(zhuǎn)基因家畜的制備上成為一種有效的方式，轉(zhuǎn)基因家畜在生物反應(yīng)器、異種器官移植和提高動(dòng)物生產(chǎn)性能等方面得到了廣泛的應(yīng)用。轉(zhuǎn)基因體細(xì)胞克隆技術(shù)在體細(xì)胞水平進(jìn)行轉(zhuǎn)基因，從理論上講，轉(zhuǎn)基因成功率100%，目前已成為制備轉(zhuǎn)基因豬的主要方式。

我國(guó)大規(guī)模制備轉(zhuǎn)基因豬是在2005年體細(xì)胞克隆豬獲得成功之后，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)李寧院士團(tuán)隊(duì)獲得了我國(guó)首例體細(xì)胞克隆豬和轉(zhuǎn)溶菌酶克隆豬，開(kāi)創(chuàng)了我國(guó)轉(zhuǎn)基因豬育種的序幕。轉(zhuǎn)基因體細(xì)胞克隆技術(shù)的出現(xiàn)和日趨成熟為培育轉(zhuǎn)基因豬新品種提供了技術(shù)支撐，2005年以來(lái)，我國(guó)在轉(zhuǎn)基因克隆豬方面取得了引人矚目的進(jìn)展，先后獲得了富含Omega(ω)-3脂肪酸的轉(zhuǎn)基因克隆豬、抗豬瘟的轉(zhuǎn)基因豬、敲除肌肉生長(zhǎng)抑制素的雙肌豬、轉(zhuǎn)植酸酶的減磷環(huán)保豬等。由于豬在解剖、組織、生理和營(yíng)養(yǎng)代謝等方面與人類非常相近。因此，我國(guó)科研人員將目光瞄準(zhǔn)了轉(zhuǎn)基因異種器官移植豬和人類疾病模型豬的研究，2010年成功獲得了人類亨廷頓舞蹈癥的轉(zhuǎn)基因豬模型和抗超急性免疫排斥反應(yīng)的基因敲除豬。

目前國(guó)際上僅有美國(guó)、日本、德國(guó)、中國(guó)等少數(shù)幾個(gè)國(guó)家掌握轉(zhuǎn)基因克隆豬技術(shù)，我國(guó)在轉(zhuǎn)基因豬的應(yīng)用上已處于國(guó)際領(lǐng)先水平，轉(zhuǎn)基因豬的研究效果比較顯著的進(jìn)展主要集中在以下3個(gè)方面。

1 通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)提高豬肉品質(zhì)，培育優(yōu)質(zhì)豬新品種

ω-3和ω-6多不飽和脂肪酸人體不能自然合成，只能通過(guò)食物攝取，人類最早食用的基本都是野生植物和散養(yǎng)動(dòng)物，食物中的ω-3和ω-6有著嚴(yán)格的比例（1∶1～1∶5），而且基本保持平衡。進(jìn)入工業(yè)化時(shí)代后，人類大量食用加工和養(yǎng)殖食品，造成體內(nèi)所含的ω-6越來(lái)越多，ω-3越來(lái)越少，比例嚴(yán)重失調(diào)。目前美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家里，人體體內(nèi)的ω-6和ω-3比例可能達(dá)到30比1。而目前中國(guó)正面臨轉(zhuǎn)型階段，這個(gè)階段正是各種慢性病的高發(fā)時(shí)期。據(jù)有關(guān)方面的統(tǒng)計(jì)，中國(guó)糖尿病患者4 000萬(wàn)，體重超重者超過(guò)2億人，肥胖人數(shù)多達(dá)6 000萬(wàn)，中國(guó)有可能成為世界第二大糖尿病國(guó)家。

長(zhǎng)鏈的多不飽和脂肪酸的營(yíng)養(yǎng)學(xué)重要性及其在人體發(fā)育和多種疾病的預(yù)防作用已經(jīng)確立，特別是ω-3多不飽和脂肪酸對(duì)心血管疾病和與代謝綜合癥有關(guān)的疾病的預(yù)防、治療作用更是受到重視。在當(dāng)前深海魚(yú)油仍然是ω-3的主要來(lái)源(事實(shí)上該來(lái)源正在不斷地下降)，通過(guò)轉(zhuǎn)基因方式對(duì)豬種質(zhì)進(jìn)行改良，可以在豬肉中提供自然界中分布極為稀少和生理上具有重要意義的ω-3 ,可持續(xù)地滿足對(duì)其不斷上升地需求。在提供重要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)地同時(shí)，也提升了豬肉的嫩度和風(fēng)味。2006年美國(guó)制備出了轉(zhuǎn)ω-3 脂肪酸去飽和酶基因Fat-1克隆豬，這種克隆豬體內(nèi)各種ω-3不飽和脂肪酸含量較普通豬有大幅度地提升，提高了5倍以上。此類肉食可降低人類心血管病等疾病，對(duì)提高免疫力有著積極的作用。因此，獲得的魚(yú)油豬是世界上第1種真正值得去進(jìn)行市場(chǎng)開(kāi)發(fā)的轉(zhuǎn)基因大動(dòng)物食品。

2008年，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所等單位成功獲得了富含–-3不飽和脂肪酸轉(zhuǎn)基因豬（圖1）。通過(guò)轉(zhuǎn)sfat1基因生產(chǎn)的克隆豬將ω-6 轉(zhuǎn)換為ω-3 多不飽和脂肪酸，該轉(zhuǎn)基因豬與普通豬相比，在肌肉和脂肪中不飽和脂肪酸(EPA和DHA)的含量提高13倍以上，該基因具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，為我國(guó)優(yōu)質(zhì)豬的培育提供了良好的育種材料。

圖1 富含ω-3多不飽和脂肪酸的克隆豬

若運(yùn)用轉(zhuǎn)基因技術(shù)進(jìn)行育種，豬肉將成為有益于心臟的美食，高血壓和糖尿病患者將可以放心的攝取這些美食，這對(duì)人們的健康有著革命性的意義。雖然轉(zhuǎn)基因食品還面臨著一些質(zhì)疑，安全評(píng)價(jià)還有很長(zhǎng)的路要走，但這畢竟是一項(xiàng)有利于全人類的研究成果，最終一定會(huì)得到世界的認(rèn)可。

2 利用轉(zhuǎn)基因豬生產(chǎn)人體器官，為人體器官移植提供供體

當(dāng)前，全球等待器官移植的患者越來(lái)越多而能夠捐獻(xiàn)器官的人卻非常有限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足醫(yī)療上的需要。鑒于豬的器官無(wú)論是在體積上還是在功能上都和人的比較接近，人們希望能利用豬來(lái)提供人所需要的各種器官，開(kāi)展異種器官移植。然而，豬的基因組上有表達(dá)α-1,3半乳糖苷轉(zhuǎn)移酶(Gal)這種人和靈長(zhǎng)類動(dòng)物所缺少的基因，這樣，一旦移植，將導(dǎo)致超急性排斥（HAR）。

2003年P(guān)helps等利用同源重組技術(shù)獲得了世界上第1頭雙敲除alpha-1,3-Gal（GGTA1）基因的轉(zhuǎn)基因克隆豬，開(kāi)啟了利用體細(xì)胞基因打靶技術(shù)生產(chǎn)異種器官移植供體的先例。此后，日本和澳大利亞等國(guó)的幾個(gè)科研小組也相繼獲得了敲除GGTA1基因的轉(zhuǎn)基因克隆豬。將敲除GGTA1基因的豬心臟和腎臟分別移植到免疫抑制的狒狒體內(nèi)，移植后的異種器官可以在狒狒體內(nèi)正常存活2～6個(gè)月，最長(zhǎng)的個(gè)體生存期長(zhǎng)達(dá)179 d。

2010年，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所潘登科領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)成功研制出敲除–-1, 3半乳糖苷轉(zhuǎn)移酶基因（GGTA1）單敲除的近交系五指山小型豬（圖2），為我國(guó)創(chuàng)建器官移植豬邁出了關(guān)鍵的一步。此次獲得的基因敲除豬使用的是我國(guó)培育的實(shí)驗(yàn)用近交系五指山小型豬，小型豬在解剖、生理結(jié)構(gòu)、代謝機(jī)制、器官發(fā)育等多方面與人更為相近。近交系豬具有基因高度純合、遺傳穩(wěn)定、表型均一和遺傳背景清楚等優(yōu)點(diǎn)，適宜人源化基因豬改造，便于異種器官移植臨床前試驗(yàn)研究。

利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)，可以利用豬制備人體的各器官和組織，如心臟、肝臟、肺、腎臟、骨骼、筋腱、韌帶、皮膚、角膜、小腸和胰島細(xì)胞等，如此可以為人類不斷地提供異體器官移植的供體器官。

3 建立人類疾病的轉(zhuǎn)基因豬動(dòng)物模型，揭示人類疾病的發(fā)病過(guò)程、機(jī)理及探索治療途徑

豬的心血管系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、皮膚、營(yíng)養(yǎng)需要、骨骼發(fā)育以及礦物質(zhì)代謝等都與人的情況極其相似，豬的內(nèi)臟器官及其功能也與人的器官類似，例如脈搏，在靜止?fàn)顟B(tài)下，人的脈搏每分鐘60～90次，豬的脈搏為65～80次。豬的動(dòng)脈循環(huán)系統(tǒng)幾乎是人的動(dòng)脈循環(huán)系統(tǒng)的復(fù)制品。另外，其繁殖周期短、生產(chǎn)力高，窩產(chǎn)仔多。因此，豬就被認(rèn)為是開(kāi)展人類醫(yī)學(xué)臨床前試驗(yàn)的最佳模型，如豬可以作為皮膚燒傷、腫瘤、免疫學(xué)、糖尿病等代謝性疾病的醫(yī)學(xué)研究的動(dòng)物模型。

圖2 敲除GGTA1基因的近交系五指山小型豬

圖3 人類亨廷頓舞蹈癥的轉(zhuǎn)基因豬模型

2010年，中科院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院賴良學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)成功獲得了人類亨廷頓舞蹈癥的轉(zhuǎn)基因豬模型（圖3），并首次在轉(zhuǎn)基因豬大腦中發(fā)現(xiàn)與人類亨廷頓舞蹈癥患者腦中類似的神經(jīng)細(xì)胞凋亡現(xiàn)象。2011年，賴良學(xué)研究組成功敲除了豬內(nèi)源性PPARγ基因，在世界上首次建立了對(duì)糖尿病和心血管并發(fā)癥的研究有重要應(yīng)用價(jià)值的PPARγ基因敲除豬模型(圖4)。

圖4 敲除了豬內(nèi)源性PPARγ基因豬

4 結(jié)語(yǔ)

轉(zhuǎn)基因豬的研究在短短幾年的時(shí)間內(nèi)，已取得很大成就，目前仍處于發(fā)展階段，能夠獲得的轉(zhuǎn)基因豬數(shù)量少，還存在這樣那樣的問(wèn)題?？共∮N的轉(zhuǎn)基因豬如抗口蹄疫、抗藍(lán)耳病豬已經(jīng)獲得，但還需要較長(zhǎng)時(shí)間去驗(yàn)證?？傊D(zhuǎn)基因豬的研究是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，前途無(wú)量，隨著時(shí)間的推移和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，轉(zhuǎn)基因豬研究將惠及養(yǎng)豬生產(chǎn)，尤其在抗病育種方面為人類帶來(lái)更大的利益。