转基因猪(基因组中转入人生长素基因的猪)

转基因猪

基因组中转入人生长素基因的猪

转基因猪是指运用分子生物学技术方法，将人工分离或改造过的基因整合到猪的基因组中，并能稳定的遗传给后代的生物产物。

转入的基因可以使猪的某些性状向人类需要的目标发生转变，因此在猪的遗传育种、以及将猪作为药物评价、疾病模型、特异性药物生产的生物反应器和组织器官移植的供体等方面具有重要的作用。

1985年，相关研究人士运用显微注射技术把人生长激素融合基因（MT/h GH）注射入猪的受精卵中，并将受精卵移植入发情母猪，由此获得了世界上第一头转基因猪。

2022年1月，美国一患者接受了转基因猪心脏移植手术，两个月后因心力衰竭离世。2023年7月，《柳叶刀》刊登文章揭示了导致世界首例猪心脏移植失败的原因，研究表明可能有多种原因叠加导致了这位患者离世，而猪心脏可能隐藏的某些病毒，或许是移植失败的主要原因。

技术概述

转基因，就是利用工程技术将一种生物的一个或几个基因转移到另外一种生物体内，从而让后一种生物获得新的性状。转基因动物技术是指使用显微注射或精子介导等相关分子生物学方法将外源基因导入到动物的早期胚胎细胞中，使外源基因能够在受体细胞的基因组中稳定表达，并培育出可遗传的动物个体或品系。与传统的育种技术相比, 转基因技术不仅克服了物种间固有的生殖隔离, 而且实现了物种间遗传物质的交换。

基因技术可以使猪的某些性状向人类需要的目标发生转变，例如增强生长性能，改善肉质结构，使其更适宜用于药物评价、疾病模型研究、特异性药物生产以及组织器官移植的供体等用途。

研究背景

在20世纪20年代至90年代期间，人们一直努力尝试将狒狒属等灵长目的心脏、肾脏和肝脏移植到人体，但由于繁殖难题、器官尺寸不匹配、跨物种传播疾病以及道德考量等问题，这些移植尝试并未获得成功。1984年，一位美国外科医生曾尝试将一颗狒狒心脏移植到一名婴儿身上，然而这位婴儿仅存活了20天。

从性能参数来看，猪共有38条染色体，其中包含18对常染色体及X、Y性染色体。研究表明，猪的全基因组包含约30亿个核苷酸碱基对，和人类的基因组大小接近，并且与人类基因组有众多的保守同源区域。此外，猪与人类的体温均为36℃-37℃，心脏大小、管道分布和动力输出，甚至心率（人的心率为60-100 次/分钟，猪为55-60次/分钟）都相类似。

国际科学界普遍认为，选用猪的器官进行异种器官移植的可操作性更强，并从20世纪90年代开始研究猪的异种器官移植。首先，猪的器官组织结构、生理功能和大小与人体器官相近。猪的心脏大血管在解剖学和生理学指标上与人类脏器匹配度最接近；其次猪作为家畜和人类长期共存，携带严重危害人类的微生物的概率相对较小；三是猪的繁殖力很强，一旦解决相关生物医学问题，可以实现规模化、批量化、无限量供应这些要求。

主要研究

1989年，Prather等以体内来源的M II期猪卵母细胞为受体胞质，以猪四细胞期胚胎卵裂球作为供体核进行移植，共移植88枚核移植胚胎到发情母猪，最后获得了一头克隆猪。

1992年，魏庆信等以湖北白猪为实验材料，采用显微注射和猪精子做载体两种方法导入OMT / PGH基因，获得了首批转生长激素的转基因猪。

2001年，Golovan等将植酸酶转入了约克猪的唾液腺中，获得了植酸酶转基因猪。这种转基因猪能自行生成肌醇六磷酸酶，使得粪便中磷的含量大大降低，有效减少对环境的磷污染。

2002年，Lai等将绿色荧光蛋白（EGFP）基因转入胎儿成纤维细胞中，并通过体细胞核移植的方法，获得了EGFP转基因猪。

2003年，郑新民等采用显微注射法，把含有猪血清白蛋白侧翼序列的微小人血清白蛋白基因导入猪的基因组中，生产出转人血清白蛋白（HSA）的基因猪。

2006年，Hao等通过体细胞核移植的方法，获得了2头带有e NOS（内皮型一氧化氮合酶）基因的转基因克隆猪，为人们研究在肌肉代谢和心肺系统中e NOS的功能提供了实验模型。

2008年，刘忠华等对脂质体转染猪胎儿成纤维细胞的技术程序进行筛选，以EGFP基因转染后的阳性细胞作为体细胞核移植的核供体，以体外成熟卵母细胞为核受体，通过胚胎移植手术，获得了中国首例EGFP转基因克隆猪。

2009年，Ramsoondar等通过RNAi技术的方法，获得了敲除猪内源性逆转录病毒（ PERV）的转基因猪，消除了在异种器官移植时PERV感染人的危险。

2011年，Sommer等通过原核生物注射和体细胞核移植的方法，获得了ELOVL4基因的转基因猪，用以研究视网膜黄斑变性和STGD-3（ III型斯塔加特样黄斑变性）的发病机理。

2013年，樊娜娜等将DOX诱导型慢病毒载体系统诱导的猪诱导性多能干细胞（pi PSCs），在体外进行自发分化培养，待外源基因基本沉默后进行核移植，获得了首例pi PSC克隆猪。

2023年，Miles等构建了一个标记20SCaspase-3体的核心亚基 α-1型（PSMA1）的EGFP，PSMA1-EGFP与功能性精子蛋白酶成功融合，再通过体外受精的方法，最后获得了携带绿色荧光蛋白酶的转基因猪。

技术方法

获得转基因猪的技术主要有原核生物注射法、精子介导法、逆转录病毒感染法和体细胞核移植法。

原核注射法

最早建立的转基因猪技术是参照小鼠的原核注射法。但猪的受精卵看不到原核，这就必须有一种技术使原核显现出来。有研究人员对猪受精卵进行离心处理，使卵黄颗粒沉降到卵的一侧，便可将原核显现出来，之后人们便延用了这种离心的办法，对猪的受精卵进行原核注射。

精子介导法

精子介导法包括体外转染和体内转染两种主要方法：1、体外转染：通过将采集的精子在体外与脱氧核糖核酸结合，并运用人工授精、输卵管输精、体外受精或胞质内精子注射（ICSI）等方法获得转基因动物。体外转染技术可采用外源精子与DNA直接孵育法、脂质体封装法和电穿孔导入法等。2、体内转染：即将外源DNA直接注射到动物的输精管或曲细精管内，使其在动物体内与外源DNA结合，从而获得转基因动物。体内转染方法包括输精管注射和曲细精管注射两种途径。

逆转录病毒感染法

以逆转录病毒为载体创建转基因生物，其优势在于高感染率、广泛宿主范围、外源基因单拷贝整合以及易操作性。然而，这种方法存在潜在的安全风险，同时受到逆转录病毒的制约，难以将大片段的脱氧核糖核酸导入宿主基因组。

体细胞核移植法

1997年，英国Roshilin研究所的Wilmut等学者成功地克隆了世界上首例通过体细胞核移植获得的后代，为转基因动物研究提供了新的途径。将基因打靶技术与体细胞核移植技术相融合，能够有效地实现基因的定点整合。

应用领域

动物基因工程育种

动物基因工程育种（动物界 genetic engineering）是利用现代转基因技术，将外源基因导入动物基因组，组成一个新的基因，使其在动物体内整合并表达，从而培育出新的遗传特性的转基因动物。这种技术的优点在于能够快速培育出传统方法难以实现或不能实现的动物品种，同时解决了物种间杂交不育的生殖隔离问题，提高了选择效率，加速了动物改良的进程，能够提高动物生产性能、改良动物经济性状等。2017年，华中农业大学通过转基因猪模型超表达PGC1α基因，证实了肌纤维类型的转变，由酵解型肌纤维转化为氧化型肌纤维，为后续的肉质改良工作打下基础。

动物生物反应器

动物生物反应器（动物界 bioreactors）是一种利用转基因活体动物的器官或组织，高效表达某种外源蛋白，并进行工业化生产功能蛋白的技术。截至2015年，全球已有美国、英国、荷兰等几十家公司利用转基因动物生物反应器进行医用蛋白的生产，包括hFVIII、抗凝血酶III、β-乳球蛋白、红细胞生成素等。这种技术为大规模生产重要的生物药物提供了一种有效的方法，数十种昂贵的、自然资源十分缺乏的药用蛋白质以及应用于预防人类和家畜传染病的抗原蛋白在转基因猪的乳腺和血液中得到表达。

人类疾病动物模型

转基因猪作为生物医学研究中的重要工具，可以用于人类疾病模型的建立与研究。通过转基因技术的应用，研究人员可以在猪的基因组中整合或修改特定基因，从而使猪表现出类似于人类疾病的特征。例如2010年，Yang等研究团队与李晓江研究团队合作，运用体细胞转基因技术和体细胞核移植技术，获得了6头亨丁顿舞蹈症转基因猪。在这项研究中，首次在转基因猪的大脑中发现了类似于人类亨廷顿舞蹈症患者脑中的神经细胞凋亡现象，这一研究成果对于深入研究亨廷顿舞蹈症的病理发生机制以及开发治疗药物具有重要意义。2016年，中国科学院使用单碱基基因编辑技术，仅仅只改变一个碱基，便获得了只分泌人胰岛素的克隆猪，提取的胰岛素完全为人胰岛素，而不含猪胰岛素。

异种器官移植供体

猪因其器官与人类形状、体积和遗传物质相似，并且具有迅速的生长和繁殖能力，因此成为理想的器官移植供体。然而，异种器官移植目前主要面临免疫排斥等问题。通过转基因技术对猪进行遗传改造，有望解决这些问题。