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对猪应用基因编辑

作者:佚名来源:南方周末时间:2016-01-24 20:49点击:

  CRISPR技术强大的能力在编辑动物基因方面已经取得了相当多的成果,仅仅将这一技术应用到猪身上,就可以产生人类血液所需要的蛋白,甚至有可能产生可供人类移植的器官。

  基因编辑技术CRISPR被美国《科学》杂志评选为2015年十大突破之首。除了对人类基因和胚胎的编辑引发巨大争议外,目前这一技术在编辑动物基因方面取得了相当多的成果,为治疗人类疾病和生产人类所需的产品提供了广阔前景。研究人员已经能用CRISPR来编辑猪、鱼、猴子、羊、兔子、老鼠、蝴蝶等动物,仅仅对猪进行基因编辑,就可以为人类提供很多服务和产品。

  产生人类蛋白

  人血白蛋白(HSA)是人血浆中的蛋白质,其作用既广泛又重要,因为它们在体液内可以运输脂肪酸、胆色素、氨基酸等,同时能维持血液正常的渗透压。人血白蛋白还可用于治疗休克与烧伤,用于补充因手术、意外事故或大出血所致的血液丢失,也可以作为血浆增容剂。

  但是,如果人血白蛋白只从人体获取,如从献血者的血液中提取,不仅数量有限,而且价格昂贵。因此,研究人员一直希望利用基因工程改造动物,如猪或羊来生产人血白蛋白。现在的CRISPR-Cas9基因剪刀为实现这一想法提供了理想的工具,因为通过基因编辑动物,如编辑猪,可以让猪生产人血白蛋白。

  但是,基因编辑猪也会有两种结果,既产生猪白蛋白,也可产生人血白蛋白,要解决这个问题,就只能是在编辑猪的基因时,把敲入的人类基因放在位于猪白蛋白产生基因的下游。北京蛋白质组研究中心的研究人员通过使用CRISPR-Cas9,将人血白蛋白的基因敲入到猪白蛋白基因位点下游起始密码子,希望人血白蛋白基因能在猪内源性白蛋白基因的转录调控下表达,同时阻止猪内源性白蛋白基因的表达。

  研究人员在10只母猪体内植入了300个改造过的受精卵,之后有5只猪成功怀孕,产下了16只巴马猪仔。结果发现,这16只猪仔都带有预期敲入的生产人血白蛋白的基因,在它们的血液中也能检测到人血白蛋白。不过,各只幼猪体内的人血白蛋白含量有所不同。因此,这只是一个初步的成功。

  更重要的是,要在未来的繁殖试验中查验敲入的人血白蛋白基因是否能在这些猪的后代中遗传下去。如果能稳定遗传下去,或许未来能让这些基因编辑的猪生产人们所需要的人血白蛋白。

  提供人类器官

  人体器官供不应求制约了器官移植治疗疾病和挽救人的生命,因此,一直以来,研究人员在想方设法采用动物的器官供给病人移植,猪的器官就被视为是一个最好的人类器官的代用品。

  但是,采用猪的器官要解决两大问题,一是猪的器官可能引发器官受者的免疫排异反应,二是猪身上的一些隐藏的病毒和微生物可能对人有害。

  猪的器官对于人是异种器官,异种器官移植面临的免疫学排异反应表现为超急性排斥反应(HAR)、急性血管排斥反应(AVR)、细胞介导的排斥反应和慢性排斥反应。1993年,美国匹兹堡大学外科医生库珀(David Cooper)等人发现,大多数人类免疫反应的肇事者就是源自猪血管内皮细胞上的抗原,称为α-1,3-半乳糖,这是一种糖分子,能在几分钟内引发器官排异。但是,一种名为α-1,3-半乳糖基转移酶的酶对于产生这种糖是必需的,将产生这种酶的基因敲除,就有可能缓和免疫排异反应,从而让猪器官供人类移植。

  另一个问题是,猪体内有很多潜藏的或休眠的逆转录病毒(PERV),有几十种。尽管这些猪的逆转录病毒是否对人类有害存在争议,但较为普遍的看法是,如果使用猪的器官,就应当消除这些隐患,以免移植猪器官后引发其他疾病。因此,如果要使用猪的器官,就必须敲除这些猪逆转录病毒的基因,以确保万无一失。

  于是,去除或修改猪的α-1,3-半乳糖基转移酶和其他几十种转录病毒基因就历史地落到CRISPR-Cas9的肩上。美国哈佛大学的丘奇教授领导的团队在2015年10月宣布,他们的两个研究小组已经能完成去除或修改猪的α-1,3-半乳糖基转移酶和其他几十种转录病毒基因的任务。

  一个研究小组利用CRISPR-Cas9对一组猪胚胎进行了二十多个基因的改造,其中就包括编码猪的α-1,3-半乳糖转移酶的基因,从而阻止了猪细胞表面的α-1,3-半乳糖产生,也就消除了猪器官上面的抗原,可以避免移植到人体触发免疫反应。

  另一个研究小组则利用CRISPR-Cas9编辑猪胚胎中的62个猪内源性逆转录病毒基因,让这些病毒失活。这个工作非常重要,因为这些病毒嵌入在所有猪的基因组中,无法进行处理或是被中和。由于担心它们有可能会给人类移植患者带来疾病,猪器官一直迟迟不敢用于人类。

  现在,由于解决了这两个问题,即消除了引发免疫反应的α-1,3-半乳糖和猪内源性逆转录病毒,下一步将有可能把猪的器官移植给人。不过,在对人进行移植前,当然还要通过动物试验来验证,例如,对狒狒和猴子移植经过CRISPR-Cas9编辑的猪的器官,如肺、心脏和肝脏。

  美国马里兰大学医学院的外科医生也已经在做这种动物试验。他们从一头经过CRISPR-Cas9编辑的成年猪身上摘下肺,移植给一只6岁的狒狒。在不太遥远的未来,这一研究将告诉人们,猪的器官是否可以移植给人。

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