关于基因组编辑作物监管框架的建议

2016-01-31 | 作者: Panda | 标签: 基因组编辑

基因农业网编译(翻译:Panda,校对:刘杰):快速发展的DNA测序技术和靶向DNA序列基因组编辑技术已经掀起了一场作物育种革命,在此,我们提议建立一个用于对基因组编辑作物(GEC)的精准育种技术进行监管的框架,让社会公众能够从最先进的植物遗传学和基因组学技术中全面获益。

种植最广泛的60种农作物占用了全球可耕种土地的96%,这些农作物为人类提供所需的食物、饲料以及纤维产品。这些作物的产出保证了人类的温饱和安康。人类不断增长的人口正面临许多挑战,这些挑战包括从可耕地的退化和减少、气候变化到对更加可持续发展农业实践的合理要求等等方面。这些难题可能涉及到多个层面,但作物育种无疑在人类为达成农业和粮食生产目标而努力的过程中至关重要。为解决上述难题,有必要全面开发应用所有科学领域中最先进的技术。

作物的基因组测序

基因组学为剖析生物学通路的组织和调节提供了一个全新的整体视角,通过这种技术所获得的新知识极大地加速了作物育种的进程。

16年前,也就是2000年,植物中第一个参考基因组——模式生物拟南芥(Arabidopsis thaliana)的基因组测序完成;两年后,另两种重要作物,即两个最主要的水稻栽培种(Oryza sativa ssp. indica和japonica)的全基因组序列公布。下一代测序技术的出现大大加快了作物全基因组测序的速度:黄瓜是第一例使用短读长测序进行组装得到基因组序列的作物,此后陆续有约50种作物利用下一代测序技术完成了全基因组序列拼接。目前尚未得到全基因组序列的作物都是那些基因组非常大的物种,比如洋葱(其单倍体基因组约为16.4 Gb),和那些非常复杂的多倍体基因组,比如栽培土豆、番薯和甘蔗,这些作物有望在更长的序列读取长度技术普及后得到全基因组序列信息。下一代测序技术成本不断降低促进了群体水平的测序,从而加速了农艺学性状相关的重要遗传变异的发现。伴随着高通量表型鉴定技术的快速发展,基因组测序大大加速了控制农艺性状的基因和等位基因的鉴定以及基因如何在功能网络中相互作用机制的深入了解。总之,这些领域的研究和发展为作物改良的精准基因组编辑打下了坚实基础。

作物的基因组编辑

基因组编辑就是利用序列特异性的核酸酶,在预先确定好的位点上引入一个靶向的DNA双链断裂缺口。常用的序列特异性核酸酶有3种,它们分别叫做锌指核酸酶(ZFN)、类转录激活因子效应物核酸酶(TALEN)和成簇规律间隔短回文重复及其关联核酸内切酶(CRISPR/Cas)。这3大核酸酶系统各有优缺点,其在有效性与脱靶风险之间的权衡仍需进一步考量评估。ZFN和TALEN系统的序列靶向性由蛋白质-DNA之间的相互作用介导,而CRISPR/Cas系统则招募一个向导RNA来引导核酸内切酶,通过碱基配对原则寻找靶向序列。其中按功能元件归为II类的CRISPR/Cas9系统来源于酿脓链球菌(Streptococcus pyogenes),由于其高效性和简便性,成为目前应用最为广泛的基因组编辑系统,其类似替代技术还有最近炙手可热的CRISPR-Cpf1,未来还有很大的发展空间。通过将Cas9与其它结构域相关联,CRISPR/Cas还可用于表观基因组编辑或定向控制转录水平及其他类型的基因工程。在植物中,通常的做法是通过转基因方法引入CRISPR/Cas系统所需组件。当然,也有其他一些替代方法,比如通过病毒转导或是直接向植物细胞原生质体中注射蛋白质-RNA复合体。转入的外源基因可以通过自交或是回交除去,自交或是回交也可用于除去不利的脱靶导致的突变。

遗传学家迅速接纳了基因组编辑技术,将其作为作物改良的强大工具。原则上,我们能够直接通过基因组编辑技术向功能基因中引入敲除突变,从而减少作物的不利性状或是创造优良性状。比如植酸,它是一种抗营养因子,限制农场动物对矿物质的吸收,并导致环境污染加剧。通过靶向突变,我们就能除去作物中的植酸。IPK1基因是植酸生物合成途径中催化最后一步反应的关键酶,利用ZFN系统可以扰乱玉米中IPK1基因的功能。在水稻中,香味主要由OsBADH2基因的隐性等位基因控制,通过TALEN技术敲除OsBADH2基因可以得到香米品种。或许,最令人惊叹的范例当数六倍体的普通小麦。白粉病是一种极具破坏性的小麦疾病,在好几个国家都威胁着当地的食品安全。借助于基因组编辑技术,得到了一个对白粉病具有抗性的小麦新品种,与其他范例不同的是,它的3个MLO(霉病抗性位点)基因的同源等位基因同时完成了编辑。

基因组编辑技术还可用于更复杂的定点同源重组,并由此引入能够导致功能变化的突变。比如,草甘膦是广泛使用的一种苗后广谱除草剂,它是天然存在的磷酸烯醇丙酮酸盐底物的类似物,可与其竞争性结合5-烯醇式丙酮酰莽草酸-3-磷酸合酶(EPSPS)的活性位点,从而抑制植物内源EPSPS酶的活性。通过氨基酸残基替换的方法,即可得到对草甘膦具有抗性的EPSPS酶,这也是开发多种抗草甘膦转基因作物时采用的最经典的方法。使用基因组编辑技术,对各种作物如大豆、油菜和水稻等进行内源性EPSPS编码基因的定点修饰,即能够赋予植株对草甘膦的抗性而无需引入外源基因。类似的例子还有已完成的对乙酰乳酸合酶(ALS)的编辑,这是另一种除草剂的作用靶标。基因组编辑还被用于新的优良等位基因的发现。比如,通过优化开花与不开花信号之间的平衡,借助于活性稍有不同的等位基因组合,达到植物结构、开花量和最终产量的最优状态。最后,多基因定点突变是多倍体作物中功能冗余同源基因修饰的关键,也是CRISPR/Cas9系统的一个重要应用领域。综上所述,随着作物遗传学和基因组学研究的发展,关于控制有用性状的功能基因和等位基因的知识会不断累积,我们预期,这类“基因组微创手术”在不久的将来能够广泛应用。

目前常规育种和遗传修饰研发出的作物的监管体系

现代的常规作物育种技术建立在达尔文和孟德尔的理论基础之上,为全球粮食生产的快速增长作出了巨大贡献。它不仅仅是简单的已有品种之间的杂交,还包括一系列重要的技术,比如相关物种间的远源杂交、体外授精、诱导多倍体、原生质体融合以及化学或辐射诱变。显然,通过这样的有性杂交繁殖、突变和组织培养等技术得到的产品除了品种登记外,并不需要额外的政府监管。

然而,常规育种引入新性状的能力有限,对于原本就不存在于驯化种或野生种中的性状无能为力;而转基因(GM)技术突破了这种限制,能够通过多种不同的方法引入外源基因。转基因技术最初用于向作物中引入其他物种来源的DNA序列,比如来自于苏云金芽孢杆菌(Bacillus thuringiensis)中的编码抗虫蛋白的特定基因,而这种抗虫蛋白很早之前就作为杀虫剂在全球范围内使用。关于转基因食品和饲料对消费者产生的风险并不比常规产品更大的结论具有广泛的科学共识;不过,转基因作物在许多国家仍然被过度监管,这其中就包括中国和一些欧盟成员国。类似的,还有一些站不住脚的指责性论断将矛头指向所谓的“同源转基因(cisgenesis)”,这种技术不过是借助于DNA转化技术引入相同物种或非常相近物种来源的基因而已,尽管欧洲食品安全局(EFSA)早就下结论认为“同源转基因与常规育种得到的植物危害程度相似”。

对基因组编辑作物的监管提议

如前所述,基因组编辑为改良和提高作物育种的成功率提供了特别的机会。人类操纵作物基因组已有超过一万年的历史,虽然大部分时候只是简单地通过“反复试验”的方法,以随机的、非定点的方式进行。常规育种方法通过直接选育改变作物的基因组,选育的方法是对由天然变异或引入突变产生的性状进行观察,或是借助于那些与优良基因和等位基因相关联的分子标记进行筛选。重要的是,即使是借助于分子标记和连续回交,遗传杂交的必然后果就是引入大量的核苷酸变异,由基因型×基因型相互作用而常常造成非预期的效应。过去的20年中,转基因这类遗传修饰技术很好地弥补了常规育种方法的缺陷。虽然向宿主基因组中插入外源基因的过程是随机的,但育种家很清楚地了解引入的基因序列,因此转基因技术产生的效应比常规育种更加容易预测。从本质上说,转基因技术与常规育种中使用的自发变异或诱导突变等手段类似,但还多了一项优势,即只引入了期望得到的改变。在这里,我们将基因组编辑育种技术得到的作物称为基因组编辑作物(GEC)。


图为三种育种的比较。自左向右分别为传统育种(杂交、诱变和原生质体融合育种)、转基因育种(异源转基因和同源转基因)、基因组编辑育种。

由于GEC作物中引入的遗传改变具有高度精准性,我们强烈呼吁建立一个针对产品而非针对技术的监管体系。在行政指令第13563号中,奥巴马总统重申,监管机构“提出或通过一项法规时应当只考虑其好处是否优于成本的合理决议”。我们赞同这些原则,并认为没有理由对含有基因敲除或核苷酸变异的GEC作物进行监管,这些基因组的微小变化要么已经存在于现有物种或近缘野生种内并有详细记录,要么是合理预期通过自发突变也能够产生。因为原则上这类遗传物质的变化也可能由常规育种或随机突变产生的(虽然实际上我们并不这么做),所以它们应当被视为与常规育种方法中使用的那些技术一样,而常规育种方法得到的作物并不需要被监管。重要的是,全基因组测序允许我们对基因组编辑所引入的变异进行良好的记录。

在考虑建立GEC作物监管框架时,我们提议以下5个最基本的指导性原则以供参考:

1,产品研究和开发期间,尽可能降低GEC从实验室和田间向外界逃逸的风险。

2,必须确保证基因组编辑作物中的外源DNA被完全去除。

3,准确记录靶标位点处详尽的DNA序列变化。如果通过同源重组引入了新的序列,需确定供体和受体的亲缘关系,以此来表征引入的序列与遗传背景是否有新的相互作用可能性。若通过同源重组引入GEC中的外源基因的亲缘关系很远,须具体情况具体分析。

4,确保GEC中的最主要靶点没有发生非预期的二次编辑事件,并基于现有参考基因组信息和全基因组重测序技术,充分考虑脱靶效应的可能后果。

5,以上4点应在新品种登记资料中备案。在满足上述条件的基础上,GEC在进入市场之前应当只需要接受与常规育种作物同样的监管。



GEC提供给我们用于确保全球粮食安全和营养供养的机会,至少与转基因作物的意义一样重大,许多情况下比常规育种的前景更为广阔。使用最相关的技术来实现最近发布的联合国可持续发展规划中的崇高目标,这个世界已无法承受再一次错失良机。美国农业部的观点是,只要GEC中不含有来源于植物害虫的DNA,则不认为GEC是转基因作物。同样,德国权威部门最近确认,使用比较古老的寡聚核苷酸法得到的基因组编辑油菜并不属于转基因生物,因为无法将它与常规突变得到的产品区分开来。我们在此呼吁其他国家效仿这类合理的做法。

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来源:基因农业网

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