摘 要 畜牧業作為支撐我國農業經濟的一大支柱，對提高人民生活質量，促進農業經濟發展，具有重大意義。自上個世紀 80 年代美國成功在植物基因組上實現穩定基因編輯以來，轉基因技術取得了飛速的發展。基因修飾動物的發展在推動生命科學研究的同時，也深刻地影響到了諸如農業、畜牧業、醫療業等諸多行業的發展。在畜牧業，基因編輯技術主要應用于：優化畜產品生產、提高畜禽抗病能力、生產特種畜產品和通過基因編輯手段進行畜禽類去勢等方面。此外，基因編輯技術還可以用于畜牧業飼料添加，通過降低畜牧業飼養成本，間接提高畜牧業生產經濟效率。

　　關鍵詞 畜牧業, 基因編輯, 轉基因技術, 畜禽抗病能力, 去勢, 飼料添加

　　1 動物轉基因

　　1.1 基因編輯技術基因編輯技術是指通過利用分子生物學技術手段，利用基因工程基本原理對目的動物的靶向基因進行目地性的編碼修飾，并結合體細胞核移植與胚胎移植等技術手段，獲得被修飾編碼的個體，并可以通過動物自身繁殖穩定遺傳給子代動物的一種技術 (殷實, 2009, 商場現代化, (31): 98-99)。自上世紀 80 年代初美國在植物基因組上成功實現穩定基因編輯以來，基因編輯技術取得了巨大的進展。近三十年來，對基因編輯的研究日益廣泛，基因編輯技術不僅僅可以改善畜牧業農產品如肉、蛋、奶的質量，在生物制藥方面以及建立人類疾病動物模型等方面也顯示出了其獨特的優勢(Adams et al., 2004)。基因修飾動物的發展在推動生命科學研究的同時，也深刻地影響到了諸如農業、畜牧業、醫療業等諸多行業的發展。動物轉基因，通過將人工修飾的基因序列重新編碼回動物機體中，或是運用一些限制性內切酶來對目的序列進行靶向敲除。DNA 片段被轉入特定生物中，與其本身的基因進行同源重組，再從重組體中進行數代的人工選育，從而獲得具有穩定表現特定的遺傳性狀的個體。隨著二代測序，基因合成等技術手段的建立與發展，基因編輯技術也取得了突飛猛進的發展，從最開始的同源重組到近年來火爆的 CRISPR/Cas9，基因編輯技術不斷邁向更加精確更加高效的發展道路。胚胎干細胞(embryonic stem cell, ES) 體外分離培養技術的突破以及同源重組現象在哺乳動物體細胞中的發現，為基因編輯提供了強有力的基礎平臺。Gordon 等(1980)最先利用同源重組的方式，成功地建立轉基因小鼠模型。在接下來的科研工作中，同源重組作為一種切實可行的編輯手段，逐漸被人們所認可。據統計，2012 年英國已有 1 741 913 例基因修飾動物及 441 610 例基因突變動物被應用 (Balls, 2013)。同源重組技術的發現也為后來的二代、三代基因編輯技術提供了有利的技術支持。

　　1.2 基因編輯技術的發展歷程基因編輯技術的發展經過了漫長的探索歷程，特別是人工改造限制性內切酶的發現與應用，突破了同源重組的技術瓶頸，使得轉基因技術取得了跨越式的發展。但是，同源重組在被廣泛的應用過程中，逐漸暴露了其本身不可避免的缺陷。同源重組的過程需要一系列如 RecA、RecF、RecR 以及真核生物體細胞內的 Rad51、Mre11-Rad50 等酶促反應來輔助進行(Copeland et al., 2001)，同源重組具有一定的局限性。根據 Holliday 結構(holliday juncture structure)的形成和拆分，同源重組的過程可以分為前聯會體階段、聯會體形成階段和 Holiday 結構的拆分階段。因此，同源重組的發生必須嚴格依靠不同 DNA 片段間的高度同源性，并且效率只有 20%~30%。 2010 年，人工改造內切酶的出現，使得目的性干預基因編碼過程成為可能。鋅指轉氨酶(zincfinger nuclease, ZFN)因其具有能夠識別并結合指定的基因位點從而高效且精確地切割 DNA 靶點的特性而聞名。鋅指核酸酶技術利用其特異性的靶點結合能力大大地提高了修飾過程中的定點整合率(Geurts et al., 2009)。被稱為 2010 年值得關注的基因工程技術之一。緊接著，另一種可以靶向修飾基因序列的類轉錄激活因子效應物核酸酶(TALENs)被應用，它借助于 TAL 效應核酸酶(一種由植物細菌分泌的天然蛋白)來識別特異性 DNA 堿基對并在特異位點對 DNA 鏈進行切割，從而導入新的遺傳物質。研究發現，利用4 種特異的氨基酸來識別相應的靶位點的方式，可以準確導向幾乎所有的 DNA 序列中。TALENs 的發展應用，使一些基因編輯的難題如定點敲除、敲入或靶向修飾成為可能(Ding et al., 2013)。但隨著科學技術的發展，鋅指轉氨酶和類轉錄激活因子效應物核酸酶技術在果蠅、斑馬魚、青蛙、小鼠、大鼠和豬等動物中成功應用的同時，逐漸暴露其實驗設計復雜、成本昂貴、實驗周期長和效率不穩定(據悉, ZFN 每次編輯成本達到 6 000 美元，TALEN 的效率只有 Cas9 的五分之一)等缺點(Gaj et al., 2013)。2013 年，《Science》雜志上的兩篇基于 CRISPR/Cas9 基因編輯技術在細胞水平上實現基因敲除的方法的文章的報道，將 Cas9 從理論化推向了實踐化。CRISPR/Cas9 也被作為第三代基因修飾技術被應用到基因工程中。這項基因編輯技術主要通過利用古生菌體內特有的 CRISPR 防御機制并結合靶點特異性的導向 RNA，從而將 Cas9 蛋白引導到特定的目的區域，并對其靶向區域進行編輯。此技術的發現彌補了先前技術打靶率低、成本高、流程復雜等缺陷。隨著新技術的發展和應用的不斷深入，多基因同時操作顯得非常重要。CRISPR/Cpf1 的發現，因其具備的高效的敲除效率，為解決基因編輯中基因基因敲除的定點突變，定點插入等技術突破提供了新的解決思路。

　　2 基因編輯技術

　　在畜牧生產上的應用通過轉基因技術來提高畜牧行業的生產效率，促進畜牧業經濟發展的想法由來已久。生命體的各種性狀，如生長、發育、繁殖等都與其遺傳物質息息相關。通過基因編輯技術手段，對畜體的基因進行改造，提高其肉質水平，產奶、產毛質量，尋找促進動物生產的調控基因，成為科研工作者研究的方向 (栗景蕊和賀爭鳴, 2014)。在畜牧業，基因編輯技術主要應用于：優化畜產品生產、提高畜禽抗病能力、生產特種畜產品及通過基因編輯手段進行畜禽類去勢等方面。

　　2.1 優化畜產品生產隨著 1982 年超級大鼠的誕生，催發了人類關于基因編輯優化畜產品生產能力的思維。近三十年來，基因編輯技術在農畜產品生產上的應用日益廣泛。 2003 年，Brophy 等(2003)利用同源重組技術，生產出 β 酪蛋白高表達牛。農畜產品中，肉、蛋、奶、皮毛是支撐農畜產品的重要的經濟支柱，通過基因編輯的手段，提高農畜產品的產量、提升畜體瘦肉率、以及優化毛皮質量，成為提升畜牧業經濟效益的熱門(李秋玲等, 2012, 中國畜牧雜志, 48(4): 44-48)。尤其是近年來 CRISPR/Cas9 高速發展，使得基因編輯技術的應用常態化。這也為利用基因編輯優化畜產品生產能力提供了有利的技術基礎。

　　2.2 提高畜禽抗病能力在畜牧業實際生產過程中，動物防疫與免疫一直是是困擾人類提升畜牧業生產效益的難題。一些流行性疾病，如禽流感、口蹄疫等，不僅對養殖農戶造成了直接的經濟損失，甚至對整個畜牧行業都會造成深遠的影響。從基因水平上提高畜禽抗病能力，不僅會降低易感動物對流行性疾病的敏感度，促進農畜動物的生長，還可以從根源上，阻止疾病的傳播，使更多的農戶乃至整個畜牧行業從中受益。從根源上阻斷流行性疾病的發生，也可以降低人畜共患病的發生，也不會因為抗生素濫用而造成機體耐藥性的升高，有報道稱，表達 hDAF 外源基因的豬可以提高自身免疫能力，溶葡萄球菌酶的過表達可以有效控制奶牛乳腺炎(Kerr et al., 2001; Wall et al., 2005)。

　　2.3 生產特種畜產品農畜產品作為生活必需品，關系著人們的衣食住行多個方面。但隨著生活水平的提高，傳統的農畜產品已經遠遠不能滿足人們的需求，特種畜產品的需求往往供不應求。農畜產品除了傳統意義上肉、蛋、奶、皮毛等，其特種產品等對醫學研究也有重大意義。2010 年，由轉基因兔產生的單克隆抗體藥物被歐洲藥品管理局批準(李紫聰等, 2013, 廣東畜牧獸醫科技, 38(4): 1-5)，不僅如此，一批批轉基因的寵物動物模型被確立，如小型馬、熒光魚等觀賞型寵物(崔保安等, 2003, 河南畜牧獸醫, 24(4): 10-11)，豐富了寵物市場，增加了人們的生活情趣。

　　2.4 通過基因編輯的手段實現畜禽類去勢在畜牧業實際生產過程中，為了更好的實現生產價值，提高生產效益，動物去勢作為一種傳統的技術手段被廣泛應用。現階段，大部分去勢手段均采用傳統的外科手術方式。外科手術，不僅具有手術風險，對動物機體健康造成一定的隱害，還會造成動物的應激反應。據悉，有很大一部分進行外科性去勢手術的動物死于手術過程中，或因手術感染而死。在基因水平上消除動物性別對農畜產品品質的影響，為實現畜禽類去勢提供了新的方法。研 究 證 實 ， GADD45G 的缺失會造成小鼠上的雄性不育。此外，基因編輯技術還可以用于畜牧業飼料添加。據悉，畜牧業是消費轉基因農作物主要行業。研究表明，食用以轉基因農作物為飼料的家畜在其生產性能、消化率、以及健康狀況上與食用非轉基因農作物的家畜相同(Cheng et al., 2008)，但轉基因農作物可以通過改良與產量有關的調控基因或是插入抗蟲害的基因片段來提升作物產量，降低了牲畜飼養成本，從而間接地提高了畜牧業生產效益。也有研究證實，可以在農作物中特異性表達某些必須氨基酸或是某些抗生素，來促進以此為飼養原料的農畜產品的生長、發育。

　　3 小結

　　基因修飾動物的發展在推動生命科學研究的同時，也深刻地影響到了諸如農業、畜牧業、醫療業等諸多行業的發展，在畜牧業方面的應用也日趨完善。隨著基因編輯技術水平的不斷提高，在畜牧業，轉基因技術的應用前景不可估量。動物轉基因技術猶如一把雙刃劍，用的好，不僅會利于畜牧業的發展，更會使更多行業從中受益。同時，在實際生產中濫用轉基因技術，會打破大自然固有的平衡，甚至會造成人類基因組的退化。

　　《基因編輯技術的發展及在畜牧業中的應用》來源：《基因組學與應用生物學》，作者：劉晉冀， 楊潔鴻， 李蓮軍。