转基因动物的应用

第二节　转基因动物的应用

目前，科学家们已成功地建立了转基因鼠、兔、羊、牛、猪、鱼和昆虫等。转基因动物在医学、生物学、药学和农业等领域都有广泛的应用。①在医学和生物学方面：转基因动物是对多种生命现象本质深入了解的工具和研究疾病发病机制及治疗方法的有用模型；②在药学方面：转基因动物可作为生物反应器来生产基因药物和营养品；③在农业方面：可利用转基因改良动物物种，提高动物育种效率和培育新品种。

一、医学生物学方面的应用

转基因动物是对多种生命现象本质深入了解的有力工具。例如研究基因的结构与功能的关系、细胞发育的潜能性、细胞核与细胞质的相互关系、胚胎发育调控、肿瘤、神经与发育等。在研究中可将报告基因作为转入基因，探测动物基因组中的时空特异性表达调控序列；将反义基因或干扰RNA作为转入基因，来灭活相关内源基因，构建基因缺陷而失去功能的模型；将同源基因作为转入基因，改造、取代内源基因，包括灭活内源基因、引入点突变、定位修复、增加内源基因拷贝等。

转基因鼠模型可在短时间内模拟人体疾病的发生与发展，同时又能为基因治疗提供试验系统。从转基因鼠体内得到的有关病理学知识，对于了解某些复杂分子病的病理学原理，如阿尔茨海默病（老年痴呆症）、关节炎、肿瘤、高血压、变性神经病、内分泌功能紊乱、冠状动脉病变等，将起很大作用。利用转基因技术培育人类疾病动物模型比用其他方法更加优越，它可在动物原来遗传背景的基因上，通过改变某种基因的表达水平而实现。这种模型模拟动物症状单一，接近于患者症状，因为产生这些疾病症状的原因是外源基因的转入。转基因动物模型可按照人们的愿望进行设计和培育，其建立过程的本身就可进行疾病机制的研究。由于转基因动物的发育过程中又引入了时间和空间的因素，这样就建立了一个立体的实验动物体系，不但能从动物整体水平上、组织器官水平上进行研究，而且还可以深入到细胞水平和分子水平，为发病机制、药物筛选和临床医学研究提供了比较理想的实验动物体系。自从1980年第一个转基因动物问世以来，经过科学家们的不懈努力，已相继建立了高脂血症（HLP）、动脉粥样硬化（AS）、高血压、低血压等心血管疾病的转基因动物模型。其中应用最广的是各种TGM模型。

通过转基因动物可以生产人体或动物进行器官或组织移植时所需的器官和组织，例如家畜胎儿神经细胞可以替代人类神经细胞用于帕金森症的治疗。猪器官的体积和形状以及DNA基本与人类相似，是理想的肾、心、肝等器官供应者，但这种组织器官移植面临的主要问题是免疫排斥。有两种解决办法：一是在移植前去除受体器官的抗体，但它能迅速再生成；另一种较长久的措施是通过转基因技术，特别是基因打靶技术，向器官供体基因组敲入某种调节因子，如抑制α－半乳糖抗原决定基因的表达，或敲除α－半乳糖抗原决定基因，再结合克隆技术，培育大量不含免疫排斥的转基因克隆猪的器官。

二、在药学方面的应用

动物生物反应器（bioreactor）是指利用转基因活体动物的某种能够高效表达外源蛋白的器官或组织来进行工业化生产活性功能蛋白的技术，这些蛋白一般是药用蛋白或营养保健蛋白。用于表达的生物反应器包括动物血液、泌尿系统、精囊腺和乳腺等，还包括禽蛋和昆虫（例如家蚕）个体等。

其中乳腺是一个外分泌器官，乳汁不进入体内循环，不会影响到转基因动物本身的生理代谢反应。利用转基因动物（家畜）乳腺生物反应器来生产转基因药物是一种全新的生产模式，与以往的制药技术相比，具有不可比拟的优越性。转基因动物的乳腺可以源源不断地提供目的基因产物（如药物蛋白质），不但产量高，而且表达的产物已经过充分修饰和加工，具有稳定的生物活性。转基因产物是在动物体内产生的异源蛋白，对动物不构成危害，对人体不易产生免疫反应。动物乳汁中只有为数不多的十几种蛋白质，且其含量及性质均已知，转基因产物的分离纯化十分方便；产物在乳汁中含量丰富，可连续生产。作为生物反应器的转基因动物又可无限繁殖，故具有成本低、周期短和效益好的优点。所以乳腺生物反应器一直是转基因动物研究的热点。

1987年，美国科学家首先从TGM的乳汁中获得了治疗急性心肌梗死最好的溶血栓药物t－PA（组织纤维蛋白溶酶原活化因子）。10多年来，已有数百种产品在小鼠乳腺获得高效表达，其中数种重要医用产品已在大动物乳汁中生产出来，即将投放市场，如山羊乳腺表达抗凝血酶Ⅲ（ATⅢ）、t－PA均达到6g/L，绵羊乳腺表达抗胰蛋白酶（AAT）达到35g/L，家兔乳腺表达葡萄糖苷酶达到10g/L，猪乳腺表达蛋白C达到1g/L、Ⅷ因子（F－Ⅷ）达到3 g/L，奶牛乳腺表达乳转铁蛋白达到3.5g/L。

而膀胱反应器有着和乳腺反应器一样的优点：收集产物蛋白比较容易，不必对动物造成伤害。此外，该系统可从动物一出生就收集产物，不论动物的性别以及是否正处于生殖期。膀胱生物反应器最显著的优势在于从尿中提取蛋白质比在乳汁中提取简便、高效。采用Uroplakin启动子可使与之融合的蛋白在尿中表达。

三、农业方面的应用

转基因技术还可以为我们培育出某些令常人意想不到的奇特动物。通过改造动物的基因组，使家畜、家禽的经济性状改良更加有效，例如使生长速度加快、瘦肉率提高、肉质改善、饲料利用率提高及抗病力加强等。加上体细胞克隆技术能使优良种畜迅速扩群，可在短时间培育出新品种。例如澳大利亚培育出的转基因山羊，羊毛增产5%。对于动物遗传资源保护的意义更加深远，对濒危物种挽救是必不可少的。

四、动物转基因技术存在的问题

转基因动物的研究发展很快，但仍有许多难题有待解决，诸如基因整合效率不高、生产周期长、生产效率低、成本高、转基因动物死亡率高、常出现不育导致转基因动物难以传代等。同时，由于对调控表达水平的程序、指导进行精确的组织特异性和发育调控表达的程序以及调控和编码内含子序列间可能的相互作用的认识尚不充分，容易引起异位点表达。由于现在的技术还不能控制整合的位点，因此存在对内源基因进行插入诱变的可能性，转基因型的表达会受整合的不同位点的影响。这些因素使得在家畜长成前，要用小鼠对新基因构型进行常规实验。除了这些技术问题以外，还涉及伦理、法律、安全性及产品如何被消费者接受等问题，目前尚无法大规模生产。可以预见，随着以上问题的不断解决，该领域的研究开发将成为国际生物工程领域实用化方向的竞争热点。