基因修饰动物:恩泽世界的幕后英雄

作者: 唐骋

来源: 知识分子

发布日期: 2016-11-26

基因修饰动物技术已经发展了四十多年,在各个领域发挥着巨大的作用,尤其是在医疗领域的应用前景广阔。通过基因编辑技术,科学家们能够制造出各种动物模型,用于研究人类疾病和开发新型治疗手段。CRISPR/Cas9系统等新一代基因编辑工具的出现,使得基因修饰动物的制作更加精确和高效。尽管面临伦理和安全性的挑战,基因修饰动物的商业化进程仍在不断推进。

目前,最有潜力打入医疗市场的基因修饰哺乳动物是猪。转基因作物的各种流言甚嚣尘上生生不息,世人却鲜闻基因修饰动物。其实,基因修饰动物这类技术已经发展了四十多年,默默在各个领域发挥着巨大的作用。

人类制造种类最多、基因操作最复杂并且对这个世界贡献最大的基因修饰生物恐怕并不是那些在农业领域掀起变革的植物,而是动物。基因修饰动物看似鲜为人知,其实无处不在。

我们已经知道,人类身上大约有5-8%的基因源自于病毒。事实上,不止人类,在目前所知的几乎所有动物身上都发现了来自于病毒的基因成分。病毒就像是一个个运送基因的“快递小哥”,但病毒可不像一般的快递小哥那样遵纪守法,它说要把基因塞给细胞,细胞就非得接受不可。而这些强塞给细胞的基因中有一部分可以“幸运地”嵌入到生殖细胞或早期胚胎的基因组中,从而世世代代流传下去。

大自然能做到的,人类往往能更加高效地做到,这就是科技。1974年,美国两位科学家碧翠丝·明茨和鲁道夫·耶内施受此启发,他们将人工提纯的高浓度病毒注入小鼠囊胚,成功地将病毒基因整合进了小鼠的基因组,这是人类历史上第一次通过生物技术手段获取基因修饰过的动物。

病毒本身结构简单,容易改造,人们既可以消除病毒的侵染性,让病毒完成传递基因的使命后便功成身退,不再能继续感染;更可以在病毒的基因组中掺杂进自己的私货,让病毒带着我们想要的基因侵染动物,从而将指定的基因转入动物体内。理论上,利用特殊改造的病毒既可以把人类所选择的任何基因转入动物体内,而对于基因修饰动物自身以外的动物和人不会有任何风险。

事情到了1981年才迎来转机,那年剑桥大学的生物学家马丁·埃文斯爵士与马修·考夫曼,和美国加州大学教授盖尔·马丁几乎同时发明了小鼠胚胎干细胞的体外培养技术。胚胎干细胞是个神奇的东西,它可以变化成生物个体全身上下任何一种体细胞。

虽然胚胎干细胞没法像受精卵一样直接发育成一个动物个体,但是科学家发现,如果把胚胎干细胞注入到早期胚胎当中,这些胚胎干细胞就会像滴入清水中的墨水一般“掺”进胚胎当中,与胚胎原有的细胞混在一起,你中有我,我中有你,再也分不开了。

1985年,英国科学家奥利弗·史密斯率先推出一种被称为“同源重组”的技术,实现了对基因的精确编辑。之后在1986年,美国科学家马里奥·卡佩基结合胚胎干细胞体外培养技术和同源重组技术,制造出了世界上第一只精确基因编辑的小鼠。

终于到1996年,苏格兰一只名叫“多莉”的小羊解开了这个死结,也让世人无不听说了一种叫做“克隆”的新技术。克隆技术能够把一颗细胞直接变成一个动物个体,大大缩短了基因修饰动物的制作周期。如今,世界上绝大多数基因修饰的猪狗牛羊等大型动物都是用这种方法制作的。

2012年,来自加州大学的詹妮弗·杜德娜和来自麻省理工大学的张锋各自设计出了一种极为强大的基因编辑工具CRISPR/Cas9系统。这个系统可以按照设计者的意愿进入细胞核内,对细胞的基因组进行增加、删除以及修改等一切编辑操作。CRISPR/Cas9系统的强大是跨越时代的,从此CRISPR/Cas9系统近乎成了基因编辑的代名词。

与基因修饰的植物不同,基因修饰动物在农业方面的应用极少,唯一值得一提的大概是美国FDA批准了一种生长较快的转基因三文鱼进入市场,这是迄今为止唯一被批准上市的食用基因修饰动物。这一点并不难理解,民众对转基因农作物尚且有这么大反应,就更别提这些还有着动物伦理、人畜共患病等一大堆“死结”的基因修饰家畜了。

但从另一方面来说,基因修饰动物的主要价值也并不在农业上,这是基因修饰动物产业依然蓬勃发展的内在原因,而这同时也让基因修饰动物不容易进入民众视野,得以躲避舆论的喧嚣。

数十年来,绝大多数实验室制造基因修饰动物模型都是出于科研目的。我们制造出癌症、老年痴呆和糖尿病动物模型,大大加速了临床医学的发展;我们有针对性地减少或增强某些基因的效果,从而得以从分子级别上理解各种基因的意义;我们将某些动物基因替换为人类基因,制造出“人源化”动物模型,从而让这些动物可以患上人类疾病,并能对各种药物产生与人类更加类似的反应,从而规避人体试验的风险。

2014年,中国科学家张普民和他的研究团队利用基因编辑技术,成功制造出了能够产生人类白蛋白的转基因猪。而来自美国哈佛大学的杨璐菡团队则更进一步,他们采用大规模基因编辑技术,试图让经过基因编辑的猪直接产生人类的器官。但毕竟临床医学对安全性和有效性有着异乎寻常的严格标准,所以这些正在研发中的技术还有很多瓶颈需要突破。

任何一个生物技术的从业人员都明白,生命技术的大规模产业化就在眼前,这必将带来极其巨大的财富与汹涌澎湃的经济结构转变,科学家,企业家都将在这场经济结构转型的浪潮中成为冒险家。然而机遇与风险乃至乱象从来都是不分家的。与被放在聚光灯下接受无数人审视的转基因作物不同,基因修饰动物的商业化反而处于一种近乎“野蛮生长”的状态,各种投机之下难免出现很多资本胡乱扩张的问题。

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