哺乳类动物基因转殖技术与应用

哺乳类动物基因转殖技术与应用 哺乳類動物基因轉殖技術與應用 杜清富 中華民國九十年九月二十七日 一、前言, 台灣即將加入WTO與大陸經濟起飛競爭,我國產業面臨相當大的挑戰。政府政策希望將台灣建立為科技島,生物技術亦被列為重點發展科技之一,而生物科技是否可以再創台灣另一波經濟高峰,值得國人同心協力放手一博。生物技術涵蓋範圍甚廣,此處僅就哺乳動物基因轉殖技術與應用簡述之。何謂基因轉殖動物,簡單地說,經人為方法操控,而帶有同種或異種動植物或微生物之外源基因的動物,都是基因轉殖動物。以下就其基因轉殖技術與應用分別說明。 二、哺乳動物基因轉殖方法, 目前技術已成熟並可應用之哺乳動物基因轉殖方法共有四種,1.胚原核顯微注射法,2.精子載體法,3.反轉錄病毒轉染法,4.核轉置法,複製動物,。此四種方法目均可重複成功地產製基因轉殖哺乳動物,此等方法各有優缺點,成功機率亦有所不同。 1. 胚原核顯微注射法,直接使用毛細管製作的注射針,將DNA注入剛受精胚 的原核內,等胚移回母體經懷孕出生後,出生的仔畜中即有基因轉殖哺乳動 物,成功機率以出生仔畜數為基礎約5-30%。 1 2. 精子載體法,將精子與DNA混合培養後,再進行人工授精,出生的仔豬即 約有30-50%是基因轉殖豬。此方法最簡單,亦最具爭議性,因重複性變異 大而受到爭議。此法在魚類基因轉殖應用相當成熟,可藉電擊提高結合的基 因數量,提高轉殖之成功率,所獲得基因轉殖魚證明可加速魚類生長速度。 3. 反轉錄病毒法,最早被應用在產製基因轉殖家禽,因為家禽蛋生下其胚即處 在數千個細胞的延長胚階段,又有厚蛋殼,無法進行顯微注射,只得以反轉 病毒進行感染,基本上使用的病毒經過修飾,相當安全只會帶基因進去,便 不會再產生病毒感染其他細胞或人類。此法經改進,藉由顯微注射技術,將 反轉錄病毒顆粒注入未受精體外成熟卵之卵膜外周腔,感染後再進行體外受 精,成功得到的基因轉殖牛,生下來的每一頭牛都是基因轉殖牛,效率達百 分之百,並已經證明在乳腺成功分泌外原醫學用抗原。 4. 核轉置法,複製動物,,將體細胞核轉至到去核的卵內,重新使生命由一個 細胞發育成完整的個體。在桃利羊發表之後,名聲大詔,隨即在同一研究群 將基因轉殖之體細胞進行複製,複製出一頭名叫波利基因轉殖綿羊,攜帶人 類凝血第九因子之基因,此技術目前瓶頸為複製動物之成功機率僅3-5 %, 仍較顯微注射之效率為低,不過複製出來的動物,可達每一頭都是基因轉殖 動物,複製動物技術可以進行基因定位轉殖與基因剔除。 此外,尚有胚幹細胞法,將囊胚在離體條件下培養,其內細胞群增生成具多樣分化潛力的細胞系,即稱胚幹細胞,此類細胞於離體培養,可進行基因轉 2 殖或基因剔除與定位轉殖,在將攜帶基因修飾之胚幹細胞重新注射至另一個囊胚,生下來的嵌合動物可經由生殖細胞遺傳,在後代小鼠中獲得純合子的基因轉殖、基因剔除或定位轉殖之動物。與上述四種方法比較,此法最不成熟,小鼠胚幹細胞已廣泛應用於基礎研究,不過除了小鼠胚幹細胞之外,其他動物一直無法成功建立,就算豬胚幹細胞曾經號稱被建立,但是仍具爭議,不過因為幹細胞在醫學用途極具潛力,科學家已經在進行人類胚幹細胞之研究,期望可以定向分化為血球細胞、移島細胞、神經細胞等等,可用來治療血癌、糖尿病、巴金氏症等等。 三、基因轉殖動物與應用 基因轉殖動物應用,以基因轉殖小鼠被生物科學家使用得最廣泛,不過最具經濟價值之基因轉殖動物,是基因轉殖家畜,而不同家畜基因轉殖則具不同價值與意義, 1. 研究DNA序列在活體所扮演的角色與功能,以基因轉殖小鼠進行研究最廣 泛,欲了解某基因在活體內所扮演之真正角色,直接將該基因轉殖至小鼠或 將小鼠之該相對基因於予剔除,再應證基因修飾後之生理變化。基因剔除之 小鼠,甚至可應用於遺傳缺陷疾病之研究與新醫藥開發之動物試驗,對人類 醫學極具貢獻。 2. 改變家畜經濟性狀,傳統育種方法,經過一兩百年選拔,家畜禽的經濟性狀 性能之改良,達到提高態,幾乎很難再有所突破,不過經由基因轉殖,改變 3 家畜禽基因表現樣式,可創造出戲劇性的另一高峰,並縮短以往選拔的時效性。例如以基因轉殖 a.改善豬隻生長速率,提高飼料效(增加植酸及纖維素消化),b.改變畜產品性質: 提高豬肉瘦肉量,使牛奶具有人類母乳成分,c.抗病、抗熱等等,如豬乳鐵蛋白基因轉殖母豬,經由母乳提高仔豬抗病力,減少仔豬下痢提高仔豬育成率,減少豬隻藥物使用。 3. 生產具醫療價值及高單價蛋白質,蛋白質醫藥可直接從人類血液、尿液中純化回收,亦可以將人類基因轉殖至大腸桿菌、酵母菌、真菌、動物細胞,藉發酵工程,進行重組基因蛋白質生產,或直接將基因轉殖至植物,以基因轉殖作物生產醫藥蛋白質。但是在考慮產量及生產成本、純化難易度、與產品生物活性差異,將人類醫療用蛋白質基因轉殖給家畜,藉基因轉殖家畜當生物反應器,由家畜乳液回收此等醫藥用蛋白質則為最佳選擇。以基因轉殖家畜當生物反應器生產藥物,除了初期研發成本較高之外,生產時因為家畜只吃草或雜糧,真正生產成本低、產量又大,由於蛋白質分子表現後之修飾作用最接近人類,生產的蛋白質藥物生物活性最佳,亦即藥效最佳。截至目前至少有二十種以上的蛋白質藥物,被認為可以藉助基因轉殖家畜生產,並且有多種蛋白質已經有基因轉殖家畜產製成功。最早開發的基因轉殖綿羊已經有十六年之久,乳腺生產藥物抗胰蛋白酵素,,-Antitrypsin, AAT,,也已經由PPL公司研發成功完成第三期前臨床試驗,在美國食品藥物管理局,FDA,申請上市中。 4 4. 異種器官移植,目前,人類同種器官移植,由於外科學與免疫學進步,移植 後十年的存活比率可達八九成,相對捐贈的器官數量仍舊遠遠無法滿足移植 病患數目,因此科學家極力尋求動物器官來源。動物中以人猿與舊世紀猴最 接近人類,以此等動物器官進行人類移植均有臨床報告,不過這些非人類的 靈長類全球只剩下幾萬隻,而人工繁殖也相當不易,倫理上也不可能為了救 人命,而犧牲保育動物的生命,人類與靈長類在生物學分類上極為接近,有 很多靈長類病毒均容易感染人類。因而轉向選擇數量多繁殖容易,且生理學 與解剖構造均與人類非常接近的豬。使用基因轉殖技術,將人類基因轉殖給 豬,使豬隻器官更擬人化,克服異種移植時之排斥反應,直接使用豬器官救 人命,不再只是吃豬肉和內臟。此一領域目前有非常多學者、生技公司、藥 廠同時投入,PPL生技公司最近公開成功複製豬,旋即號稱四年內他們的實 驗進度可進入臨床試驗,有一位澳洲生技學者甚至預測10年之內,他們的 基因轉殖豬器官,可以用來進行人類異種器官移植。 四、結語, 基因轉殖技術與其他生物科技,帶給經濟發展一個希望,不過很多產品因為直接使用在人體,對消費大眾相對衝擊則較大,甚至在倫理、道德、與宗教方面亦會產生爭議,諸多問題需要社會共同討論與理性面對,否則就算有具體產品,在生物安全性亦無爭議,亦難推到市場。 5 6 7