基因編輯豬獲重大突破，有望今年內進入消費市場
文章首發於3.19
知識分子
The Intellectual
圖源：Pixabay
撰文丨
湯波
李塏、劉夏儀、李寧
近日，全球動物育種龍頭Genus公司在學術雜誌《The CRISPR Journal》[1]公佈了該公司基因編輯抗藍耳豬最新研究進展，顯示其已完成抗藍耳豬從“概念驗證”到“商業應用”的重大突破。
由於抗藍耳豬有望成爲首個在美國大規模進入消費市場的基因編輯動物產品，該消息受到《科學》（Science）[2]等的廣泛關注。
全球養豬業的“噩夢”
2020年10月，因爲發明CRISPR/Cas9基因編輯技術，法國生物學家埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶（Emmanuelle Charpentier）和美國生物學家詹妮弗·杜德納（Jennifer Anne Doudna）獲得了當年諾貝爾化學獎，此時距離她們發明該技術不到8年時間。
在如此短的時間內能獲得全球科技界最重要的獎項，這主要緣於以CRISPR/Cas9爲代表的基因編輯技術可精準地對任何生物的基因組進行修飾，並在醫學和農業育種等方面得到廣泛應用。
由於基因編輯技術可在不引入外源基因的情況下對農作物和動物基因組進行精準修飾，讓新品種快速獲得理想的性狀，突破傳統育種技術的時間限制和技術瓶頸，也避免了公衆對類似轉基因技術引入外源基因所帶來的安全擔憂，相關的基因編輯動植物產品已被很多國家視同爲傳統育種品種，不需要額外監管，因此基因編輯技術正在創造一系列常規技術無法實現的新品種，包括Genus公司的基因編輯抗藍耳豬。
豬藍耳病，也稱豬呼吸及繁殖障礙綜合徵（PRRS），自1987年在美國發現以來可謂全球養豬業的“噩夢”。感染PRRS病毒的豬發熱、厭食以及繼發性細菌性呼吸疾病，妊娠母豬晚期發生早產流產，產死胎、弱胎和木乃伊，每年給美國造成6億美元的損失，我國每年損失更是高達240億元人民幣。目前，單純依靠疫苗無法有效防控藍耳病，而且疫苗接種容易引發豬應激，影響豬的生產性能，需要尋找更加有效的藍耳病防控途徑。
研究顯示，PRRS病毒主要侵害豬肺內巨噬細胞，導致豬機體的非特異性免疫功能下降,引發相關病毒和細菌病原併發和繼發感染。大多數病毒感染機體需要細胞表面的蛋白受體幫助，例如，新冠病毒需要與人體呼吸道細胞表面上的血管緊張素轉換酶2(ACE2)結合，才能順利入侵人體。PRRS病毒也不例外，豬巨噬細胞表面的CD163蛋白是PRRS病毒入侵的關鍵受體。沒有這個結合位點，PRRS病毒就不能進入豬的細胞進行病毒複製，也無法感染豬。基因編輯技術則可對目標基因進行精準的修飾，包括破壞CD163基因，使其無法在豬細胞表面正常表達CD163蛋白。
2016年，美國密蘇里大學Randall Prather教授團隊與Geneus公司的研發人員合作，首次利用CRISPR基因編輯的方法，在不引入外源基因的情況下，將編碼CD163蛋白的等位基因破壞，使其無法在豬巨噬細胞表面表達CD163蛋白，從而阻斷了PRRS病毒入侵豬呼吸細胞的路徑。據該研究小組發表在國際著名學術期刊《自然·生物技術》上的論文顯示[3]，經病毒攻擊試驗，所有基因編輯豬均經受了PRRS病毒的攻擊，無一感染該病毒，也沒有表現出其典型的臨牀症狀，而對照的非基因編輯豬則無一倖免，全部中招，均表現出典型的PRRS症狀。該研究表明CD163基因編輯豬具有100%的抗藍耳特性。
已做好上市準備
時隔8年，以Genus公司研究人員爲主的研究團隊在《The CRISPR Journal》[1]雜誌上公佈了基因編輯抗藍耳豬的最新研究成果，Genus公司已完成了基因編輯抗藍耳豬從小規模“概念驗證”過渡到大規模種羣“商業應用”的關鍵突破。經過多年的努力，基因編輯抗藍耳性狀已被成功導入到4個具有基因多樣性的精英商業種豬羣體中，包括在全球種豬繁育中廣泛應用的大白豬、長白豬、杜洛克豬，以及白豬雜交組合羣體。經過3代連續檢測，這些經過篩選的基因編輯抗藍耳種羣都完整地遺傳了編輯過的CD163雙等位基因，且避免了在全基因組水平上出現脫靶效應，即除CD163基因之外的非預期基因修飾。細胞和動物攻毒實驗顯示，這些商業種豬羣體可對抗多種在美國流行的PRRS毒株，攻毒後病毒核酸和抗體檢測均爲陰性，表明這些種豬具有100%抗藍耳性狀。
Genus公司研發團隊還與普渡大學（Purdue University）和明尼蘇達大學獸醫診斷實驗室（UMN VDL）等單位合作，對基因編輯抗藍耳豬全生長週期生產性能、肉質、抗性等進行了分析，發現從出生、育肥到繁殖階段，抗藍耳豬除具有完全藍耳抗性之外，其生產性能、繁殖性能、胴體性狀、豬肉品質等方面和普通豬沒有差異，該研究結果2024年3月13日在線發表在《Frontiers in Genome Editing》期刊上。[4]
研究人員表示，這些基因編輯種豬羣體將作爲原始種羣，用於額外的疾病和性狀測試和種羣擴繁。一旦獲得監管部門批准，這些創始種羣還將用於快速商業銷售，以大幅節省上市時間。
與此同時，Genus公司正在積極尋求各國監管部門的審批。2023年10月，哥倫比亞政府率先做出了有利的監管決定，認爲Genus公司的基因編輯抗藍耳豬與普通的豬具有相似的安全性，成爲全球首個批准抗藍耳豬上市的國家，有望拉開抗藍耳豬在全球主要豬肉生產國的監管審批大幕。目前，Genus公司已向或計劃向美國、加拿大、中國、日本、墨西哥和巴西以及其他豬肉生產國遞交抗藍耳豬的監管申請。
據《科學》雜誌披露，目前美國FDA正以“研究性新獸藥”名義對基因編輯抗藍耳豬進行監管審查，預計最快在2024年內批准抗藍耳豬在美國上市。不過，“研究性新獸藥”被認爲是“一條異常昂貴的監管途徑”，需要提交多次申請以確定基因編輯豬的安全性、遺傳能力和代際穩定性，以及對病毒的抵抗力等。美國加州大學戴維斯分校的動物遺傳學家Alison Van Eenennaam認爲FDA如此繁複的監管審批程序是沒有必要的，因爲基因編輯與轉基因不同，轉基因生物體中引入了來自其他物種的DNA，而基因編輯僅涉及豬自身內部DNA改變，未引入外源基因，且創造的改變在自然界也有可能發生。
FDA已批准四種食用基因工程動物產品
到目前爲止，FDA已按照類似監管審批程序正式批准了四種食用基因工程動物產品[2]。一種是AquaBounty公司生產的AquAdvantage三文魚，其基因組內引入了來自另一種魚類的基因使得生長速度更快，達到上市規格的生長週期從3年左右縮短到18個月，目前該產品已在美國和加拿大等國家小規模銷售，主要面向三文魚養殖戶。第二種是Revivicor公司生產的GalSafe豬，GalSafe豬的α-1,3半乳糖轉移酶基因被敲除，使其細胞表面無法合成α-半乳糖分子，可避免某些人羣食用豬肉過敏反應，或減少器官移植時免疫排斥反應，預計將在2024年晚些時候進入商業化生產。另外兩種分別是美國華盛頓州立大學的基因編輯豬和Acceligen公司“PRLR-SLICK”的耐熱短毛牛，前者只是“Investigational Food Use Authorization（研究性食品使用授權）”，後者因所創造基因組改變等同於自然界突變獲得FDA“低風險”豁免許可，這些產品均尚未大規模上市。
全球監管政策正發生深刻變化
相對而言，全球其他國家的基因編輯監管政策正在發生深刻變化，日本、阿根廷、哥倫比亞、英國等國家對於未引入外源基因的基因編輯動物，一般將其視同爲傳統育種產品，均採取簡化的審批程序，也無需進行額外監管措施。
這些簡化而科學的監管政策也讓這些國家的基因編輯動物產業化走了全球前列。例如，此前從未批准轉基因動植物在本土種養殖的日本，近年來相繼批准了多例自主培育的基因編輯動植物品種上市銷售，包括2021年12月批准的具有快速生長性狀的基因編輯虎豚和紅綢魚[5]，以及2023年10月批准的快速生長基因編輯比目魚[6]，日本已成爲批准食用基因編輯動物產品最多的國家，有望引領全球基因編輯水產新品種產業化。另外，阿根廷和哥倫比亞等國家也分別率先批准了快速生長基因編輯羅非魚和基因編輯抗藍耳豬。
在轉基因生物監管方面相對保守的歐盟和英國，也放鬆了基因編輯動植物監管。2023年3月23日，英國政府頒佈《基因技術法案》[7]，該法案將允許在英國使用包括基因編輯在內的新基因組技術，精準、有針對性地改變生物體的遺傳密碼，從而使動植物獲得更有利的特性，包括動植物的抗病能力。2024年1月24日，歐盟議會首次爲基因編輯植物新規則開綠燈[8]，允許採取簡化的監管政策，不再將未引入外源基因的基因編輯作物視爲轉基因作物，有望加速歐盟基因編輯作物新品種開發。
近來，科學界、產業界甚至包括監管部門的專家對簡化基因編輯動物監管政策的呼聲日益高漲。2024年3月6日，一個由多國政府機構、科研院校和企業的專家組成的委員會在《CABI農業與生物科學》雜誌上發表評論文章，鼓勵各國政府制定明確的與風險相稱的監管方法[9]，例如應基於個案和最終產品對基因編輯動物實施安全評價和監管，對無外源基因導入的基因編輯動物產品按照常規動物產品對待，不再按照轉基因動物的程序進行監管，這也是大多數已制定基因編輯動物監管政策的國家的普遍做法。
我國目前是國際基因編輯動物研發種類最多的國家，佔全球的一半以上，而我國基因編輯動物研發論文數量幾乎是美國的2倍。另外，一些種業領軍企業和初創企業也正在加大投入開展基因編輯動物研發，首農股份、廣東溫氏、中國農業大學、中山大學等單位研製出抗藍耳豬等基因編輯畜禽產品，性能與Genus公司的相當，同樣已具備產業化條件。在此背景下，中國政府正在積極推進基因編輯動植物產業化。2022年1月，農業農村部發布了《農業用基因編輯植物安全評價指南（試行）》[10]，高油酸、高品質基因編輯大豆相繼獲得安全證書，極大地促進了我國基因編輯作物研究熱情和產業發展。2023年6月，農業農村部組織制定了《農業用基因編輯動物安全評價指南》，並向全社會公開廣泛徵求意見，但是到目前爲止該指南尚未正式對外發布，對我國基因編輯動物創新和產業發展造成了一定障礙。
因此，很多專家一再呼籲，希望我國儘快正式出臺基因編輯動物監管政策。例如，全國政協委員、中國科學院院士曹曉風連續兩年提交了關於基因編輯動物的提案[11]，建議儘早正式發佈基因編輯動物安全評價指南，並制定和發佈農業用基因編輯動物的評審細則，讓基因編輯動物的研發單位對產業化路徑能有清晰的預期。全國人大代表、中國工程院院士印遇龍也提交了類似的建議[12]，並得到了農業農村部的答覆，該部表示“一直積極跟蹤國內外基因編輯動物的研發進展和監管政策，正在研究制定農業用基因編輯動物安全評價指南。”
[1]Burger BT, Beaton BP, Campbell MA, et al. Generation of a Commercial-Scale Founder Population of Porcine Reproductive and Respiratory Syndrome Virus Resistant Pigs Using CRISPR-Cas. CRISPR J. 2024 Feb;7(1):12-28.
[2]https://www.science.org/content/article/poised-be-first-widely-consumed-gene-edited-animals-virus-resistant-pigs-trot-toward
[3]Whitworth KM, Rowland RR, Ewen CL, et al. Gene-edited pigs are protected from porcine reproductive and respiratory syndrome virus. Nat Biotechnol. 2016 Jan;34(1):20-2.
[4]Nesbitt C, Galina Pantoja L, Beaton B, et al. Pigs lacking the SRCR5 domain of CD163 protein demonstrate heritable resistance to the PRRS virus and no changes in animal performance from birth to maturity.Front. Genome Ed. 2024,6:1322012.
[5]https://www.nature.com/articles/s41587-021-01197-8
[6]https://scc-japan.jp/en/3rd-gene-edited-fish-notified-japan-2/
[7]https://www.gov.uk/government/news/genetic-technology-act-key-tool-for-uk-food-security
[8]https://www.science.org/content/article/european-parliament-votes-ease-regulation-gene-edited-crops
[9]Hallerman, E., Bredlau, J., Camargo, L.S.A. et al. Enabling regulatory policy globally will promote realization of the potential of animal biotechnology. CABI Agric Biosci 5, 25 (2024). https://doi.org/10.1186/s43170-024-00221-6
[10]http://www.moa.gov.cn/ztzl/zjyqwgz/sbzn/202201/t20220124_6387561.htm
[11]https://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2024/3/378702.shtm
[12]http://www.moa.gov.cn/govpublic/KJJYS/202308/t20230811_6434120.htm