摘 要 畜牧业作为支撑我国农业经济的一大支柱，对提高人民生活质量，促进农业经济发展，具有重大意义。自上个世纪 80 年代美国成功在植物基因组上实现稳定基因编辑以来，转基因技术取得了飞速的发展。基因修饰动物的发展在推动生命科学研究的同时，也深刻地影响到了诸如农业、畜牧业、医疗业等诸多行业的发展。在畜牧业，基因编辑技术主要应用于：优化畜产品生产、提高畜禽抗病能力、生产特种畜产品和通过基因编辑手段进行畜禽类去势等方面。此外，基因编辑技术还可以用于畜牧业饲料添加，通过降低畜牧业饲养成本，间接提高畜牧业生产经济效率。
关键词 畜牧业, 基因编辑, 转基因技术, 畜禽抗病能力, 去势, 饲料添加
1 动物转基因
1.1 基因编辑技术基因编辑技术是指通过利用分子生物学技术手段，利用基因工程基本原理对目的动物的靶向基因进行目地性的编码修饰，并结合体细胞核移植与胚胎移植等技术手段，获得被修饰编码的个体，并可以通过动物自身繁殖稳定遗传给子代动物的一种技术 (殷实, 2009, 商场现代化, (31): 98-99)。自上世纪 80 年代初美国在植物基因组上成功实现稳定基因编辑以来，基因编辑技术取得了巨大的进展。近三十年来，对基因编辑的研究日益广泛，基因编辑技术不仅仅可以改善畜牧业农产品如肉、蛋、奶的质量，在生物制药方面以及建立人类疾病动物模型等方面也显示出了其独特的优势(Adams et al., 2004)。基因修饰动物的发展在推动生命科学研究的同时，也深刻地影响到了诸如农业、畜牧业、医疗业等诸多行业的发展。动物转基因，通过将人工修饰的基因序列重新编码回动物机体中，或是运用一些限制性内切酶来对目的序列进行靶向敲除。DNA 片段被转入特定生物中，与其本身的基因进行同源重组，再从重组体中进行数代的人工选育，从而获得具有稳定表现特定的遗传性状的个体。随着二代测序，基因合成等技术手段的建立与发展，基因编辑技术也取得了突飞猛进的发展，从最开始的同源重组到近年来火爆的 CRISPR/Cas9，基因编辑技术不断迈向更加精确更加高效的发展道路。胚胎干细胞(embryonic stem cell, ES) 体外分离培养技术的突破以及同源重组现象在哺乳动物体细胞中的发现，为基因编辑提供了强有力的基础平台。Gordon 等(1980)最先利用同源重组的方式，成功地建立转基因小鼠模型。在接下来的科研工作中，同源重组作为一种切实可行的编辑手段，逐渐被人们所认可。据统计，2012 年英国已有 1 741 913 例基因修饰动物及 441 610 例基因突变动物被应用 (Balls, 2013)。同源重组技术的发现也为后来的二代、三代基因编辑技术提供了有利的技术支持。
1.2 基因编辑技术的发展历程基因编辑技术的发展经过了漫长的探索历程，特别是人工改造限制性内切酶的发现与应用，突破了同源重组的技术瓶颈，使得转基因技术取得了跨越式的发展。但是，同源重组在被广泛的应用过程中，逐渐暴露了其本身不可避免的缺陷。同源重组的过程需要一系列如 RecA、RecF、RecR 以及真核生物体细胞内的 Rad51、Mre11-Rad50 等酶促反应来辅助进行(Copeland et al., 2001)，同源重组具有一定的局限性。根据 Holliday 结构(holliday juncture structure)的形成和拆分，同源重组的过程可以分为前联会体阶段、联会体形成阶段和 Holiday 结构的拆分阶段。因此，同源重组的发生必须严格依靠不同 DNA 片段间的高度同源性，并且效率只有 20%~30%。 2010 年，人工改造内切酶的出现，使得目的性干预基因编码过程成为可能。锌指转氨酶(zincfinger nuclease, ZFN)因其具有能够识别并结合指定的基因位点从而高效且精确地切割 DNA 靶点的特性而闻名。锌指核酸酶技术利用其特异性的靶点结合能力大大地提高了修饰过程中的定点整合率(Geurts et al., 2009)。被称为 2010 年值得关注的基因工程技术之一。紧接着，另一种可以靶向修饰基因序列的类转录激活因子效应物核酸酶(TALENs)被应用，它借助于 TAL 效应核酸酶(一种由植物细菌分泌的天然蛋白)来识别特异性 DNA 碱基对并在特异位点对 DNA 链进行切割，从而导入新的遗传物质。研究发现，利用4 种特异的氨基酸来识别相应的靶位点的方式，可以准确导向几乎所有的 DNA 序列中。TALENs 的发展应用，使一些基因编辑的难题如定点敲除、敲入或靶向修饰成为可能(Ding et al., 2013)。但随着科学技术的发展，锌指转氨酶和类转录激活因子效应物核酸酶技术在果蝇、斑马鱼、青蛙、小鼠、大鼠和猪等动物中成功应用的同时，逐渐暴露其实验设计复杂、成本昂贵、实验周期长和效率不稳定(据悉, ZFN 每次编辑成本达到 6 000 美元，TALEN 的效率只有 Cas9 的五分之一)等缺点(Gaj et al., 2013)。2013 年，《Science》杂志上的两篇基于 CRISPR/Cas9 基因编辑技术在细胞水平上实现基因敲除的方法的文章的报道，将 Cas9 从理论化推向了实践化。CRISPR/Cas9 也被作为第三代基因修饰技术被应用到基因工程中。这项基因编辑技术主要通过利用古生菌体内特有的 CRISPR 防御机制并结合靶点特异性的导向 RNA，从而将 Cas9 蛋白引导到特定的目的区域，并对其靶向区域进行编辑。此技术的发现弥补了先前技术打靶率低、成本高、流程复杂等缺陷。随着新技术的发展和应用的不断深入，多基因同时操作显得非常重要。CRISPR/Cpf1 的发现，因其具备的高效的敲除效率，为解决基因编辑中基因基因敲除的定点突变，定点插入等技术突破提供了新的解决思路。
2 基因编辑技术
在畜牧生产上的应用通过转基因技术来提高畜牧行业的生产效率，促进畜牧业经济发展的想法由来已久。生命体的各种性状，如生长、发育、繁殖等都与其遗传物质息息相关。通过基因编辑技术手段，对畜体的基因进行改造，提高其肉质水平，产奶、产毛质量，寻找促进动物生产的调控基因，成为科研工作者研究的方向 (栗景蕊和贺争鸣, 2014)。在畜牧业，基因编辑技术主要应用于：优化畜产品生产、提高畜禽抗病能力、生产特种畜产品及通过基因编辑手段进行畜禽类去势等方面。
2.1 优化畜产品生产随着 1982 年超级大鼠的诞生，催发了人类关于基因编辑优化畜产品生产能力的思维。近三十年来，基因编辑技术在农畜产品生产上的应用日益广泛。 2003 年，Brophy 等(2003)利用同源重组技术，生产出 β 酪蛋白高表达牛。农畜产品中，肉、蛋、奶、皮毛是支撑农畜产品的重要的经济支柱，通过基因编辑的手段，提高农畜产品的产量、提升畜体瘦肉率、以及优化毛皮质量，成为提升畜牧业经济效益的热门(李秋玲等, 2012, 中国畜牧杂志, 48(4): 44-48)。尤其是近年来 CRISPR/Cas9 高速发展，使得基因编辑技术的应用常态化。这也为利用基因编辑优化畜产品生产能力提供了有利的技术基础。
2.2 提高畜禽抗病能力在畜牧业实际生产过程中，动物防疫与免疫一直是是困扰人类提升畜牧业生产效益的难题。一些流行性疾病，如禽流感、口蹄疫等，不仅对养殖农户造成了直接的经济损失，甚至对整个畜牧行业都会造成深远的影响。从基因水平上提高畜禽抗病能力，不仅会降低易感动物对流行性疾病的敏感度，促进农畜动物的生长，还可以从根源上，阻止疾病的传播，使更多的农户乃至整个畜牧行业从中受益。从根源上阻断流行性疾病的发生，也可以降低人畜共患病的发生，也不会因为抗生素滥用而造成机体耐药性的升高，有报道称，表达 hDAF 外源基因的猪可以提高自身免疫能力，溶葡萄球菌酶的过表达可以有效控制奶牛乳腺炎(Kerr et al., 2001; Wall et al., 2005)。
2.3 生产特种畜产品农畜产品作为生活必需品，关系着人们的衣食住行多个方面。但随着生活水平的提高，传统的农畜产品已经远远不能满足人们的需求，特种畜产品的需求往往供不应求。农畜产品除了传统意义上肉、蛋、奶、皮毛等，其特种产品等对医学研究也有重大意义。2010 年，由转基因兔产生的单克隆抗体药物被欧洲药品管理局批准(李紫聪等, 2013, 广东畜牧兽医科技, 38(4): 1-5)，不仅如此，一批批转基因的宠物动物模型被确立，如小型马、荧光鱼等观赏型宠物(崔保安等, 2003, 河南畜牧兽医, 24(4): 10-11)，丰富了宠物市场，增加了人们的生活情趣。
2.4 通过基因编辑的手段实现畜禽类去势在畜牧业实际生产过程中，为了更好的实现生产价值，提高生产效益，动物去势作为一种传统的技术手段被广泛应用。现阶段，大部分去势手段均采用传统的外科手术方式。外科手术，不仅具有手术风险，对动物机体健康造成一定的隐害，还会造成动物的应激反应。据悉，有很大一部分进行外科性去势手术的动物死于手术过程中，或因手术感染而死。在基因水平上消除动物性别对农畜产品品质的影响，为实现畜禽类去势提供了新的方法。研 究 证 实 ， GADD45G 的缺失会造成小鼠上的雄性不育。此外，基因编辑技术还可以用于畜牧业饲料添加。据悉，畜牧业是消费转基因农作物主要行业。研究表明，食用以转基因农作物为饲料的家畜在其生产性能、消化率、以及健康状况上与食用非转基因农作物的家畜相同(Cheng et al., 2008)，但转基因农作物可以通过改良与产量有关的调控基因或是插入抗虫害的基因片段来提升作物产量，降低了牲畜饲养成本，从而间接地提高了畜牧业生产效益。也有研究证实，可以在农作物中特异性表达某些必须氨基酸或是某些抗生素，来促进以此为饲养原料的农畜产品的生长、发育。
3 小结
基因修饰动物的发展在推动生命科学研究的同时，也深刻地影响到了诸如农业、畜牧业、医疗业等诸多行业的发展，在畜牧业方面的应用也日趋完善。随着基因编辑技术水平的不断提高，在畜牧业，转基因技术的应用前景不可估量。动物转基因技术犹如一把双刃剑，用的好，不仅会利于畜牧业的发展，更会使更多行业从中受益。同时，在实际生产中滥用转基因技术，会打破大自然固有的平衡，甚至会造成人类基因组的退化。
《基因编辑技术的发展及在畜牧业中的应用》来源：《基因组学与应用生物学》，作者：刘晋冀， 杨洁鸿， 李莲军。
