基因组编辑,蘑菇怎能缺位

2016-02-24 | 作者: 刘杰 | 标签: 基因组编辑

作者Stephen S. Hall是备受赞誉的科普作家,他是《智慧:从哲学到神经科学》的作者。

基因农业网编译(译:刘杰,校:Panda)提要:利用名为“CRISPR”的基因组编辑技术,科学家能够以前所未有的精准度来改变生物体的基因组。由于CRISPR技术易操作且成本较低,因此那些小型农业公司也能具备强大的转基因的能力,转基因从此不再是大型农业公司的专利。该技术的支持者认为,与那些实践了数千年的传统植物育种技术相比,基因组编辑技术对生物体自身的干扰程度更低,监管当局也倾向于同意这一观点。CRISPR技术可以转变针对转基因食品的辩论——或者说它的产品会被认为是新的“科学怪食”。

在宾夕法尼亚州的切斯特县,门登霍尔酒店的宴会厅内挤满了上百人,这些人可能没有一丁点基因组编辑的知识背景,但是他们对蘑菇却非常熟悉。这些当地蘑菇种植者每天平均生产约110万磅的蘑菇,宾夕法尼亚因此能够在全美12亿美元的蘑菇销售市场中占据主导地位。然而,总会有一部分蘑菇在商店的货架上褐变甚至腐烂;如果你曾经摸过那些由白色逐渐变成黏滑、腐烂的蘑菇,你就能够理解为何没有人愿意购买这种蘑菇了。蘑菇对物理损伤极其敏感,即便小心翼翼地拣货和包装也可能激活那些加速蘑菇腐烂的酶。

去年秋天一个雾蒙蒙的早晨,在一场关于蘑菇生产的继续教育研讨会上,生物学家杨亦农借助这一平台介绍了一个有望解决蘑菇褐变难题可行方案。杨亦农是宾夕法尼亚州立大学的植物病理学教授,也是一位乐呵呵的绅士,但却不是蘑菇种植领域的专家(他自嘲:“我对蘑菇的唯一认识就是知道怎么吃它。”)。尽管如此,他利用CRISPR成功地对西方世界餐桌上最受欢迎的蘑菇——双孢蘑菇(Agaricus bisporus)进行了基因组编辑。

在座的那些蘑菇种植者可能从未听说过CRISPR,但是当杨教授向他们展示了一张照片后,他们就明白CRISPR的重要性了。照片是2014年11月时女星卡梅隆•迪亚茨(Cameron Diaz)为詹尼弗·杜德纳(Jennifer Doudna)和埃曼纽尔·卡彭蒂耶(Emmanuelle Charpentier)颁奖,两人因为发明CRISPR而获得“科学突破奖”,并因此每人获得300万美元的奖金。随后,杨教授向他们展示了一组褐色、腐烂的蘑菇与CRISPR技术得到的洁白的双孢蘑菇对比的照片,他们明白了这一技术具有巨大的商业应用价值:所有用途的双孢蘑菇(包括在所有用途的白蘑菇、小型褐菇和大褐菇在内)每年的总产量约达9亿多磅(宾夕法尼亚州立大学也很清楚这一技术的商业价值:就在杨教授发言的前一天,该大学就已经就基因组编辑蘑菇的研究工作递交了专利申请)。

在短短三年的CRISPR科学故事中,围绕CRISPR的讨论内容之精彩堪比狄更斯的小说。它是一个革命性的研究工具,同时也伴随着戏剧化的医学应用前景、棘手的生命伦理难题、尴尬的专利纠纷等等方面的困扰,最重要的是,它在医学和农业上有数十亿美元的商业价值。这一技术就像是5级龙卷风一样席卷了整个基础研究领域。许多科研单位和生物技术公司一直在寻找新的方法来治疗一些如镰状细胞性贫血和地中海贫血症之类的疾病。另外,还有人期待着DIY艺术家和生物公司能够创造出各种各样的新品种,从紫色皮毛的兔子到活生生的、能呼吸的小动物,比如中国最近研发出来的可作为宠物的“迷你猪”。CRISPR技术还可能用于修复胚胎或永久性地改变我们的DNA(这一过程名为“人类生殖细胞修饰”),这一前景使得“改良”人类物种自身的话题变成热点,同时也引发了人们对相应国际禁令的呼吁。

CRISPR这一革命性技术对农业有意义深远的影响。截止2015年秋天之前,有50篇科学文献报道了CRISPR在基因组编辑植物方面的应用,并且有迹象表明,美国农业部——评估转基因农业产品的部门之一——并不认为基因组编辑作物应该像“传统”的转基因生物那样接受同样严格的监管。伴随着监管大门敞开一条细缝,许多公司已展开激烈的竞争,争取早日将基因组编辑作物应用于田间种植并最终进入食品供应链。

CRISPR技术的革命性就在于其史无前例的精准性。CRISPR可以实现任何基因的敲除或是在基因组的特定位置插入一个新基因来获得优良的性状。据使用此技术的人反馈,与人类曾经发明的方法(包括人类实践了数千年的“自然”的杂交技术)相比,这一技术可以使得植物育种过程中发生最小的生物学改变。在许多案例中,这一技术还可以使科学家回避那插入来自其他物种外源DNA技术所带来的争议。通过那些具有争议的技术所得到的转基因作物(如孟山都生产的抗农达除草剂的玉米和大豆)已经引起了公众对转基因的反感并且导致公众对这些技术不信任。与之相反,许多科学家对CRISPR持乐观态度,他们认为CRISPR作物与“普通”转基因作物是有很大差别的,因此将会改变围绕转基因食品进行辩论的方向。丹尼尔·福亚塔斯(Daniel F.Voytas)在公司担任科学顾问并从事学术研究,他认为“这一新的技术迫使我们重新思考转基因到底是什么”。

消费者会认同吗?他们会将CRISPR作物看成最新的“科学怪食” 吗?就是那些因插入外源(并且具有农业经济学效益的)DNA而得到的“非天然”食物,他们会不会认为这些食物对人类或环境具有不可预测的后果?CRISPR技术只是刚开始应用于粮食作物改良,因此有许多问题还并未摆到公众面前,但是公众迟早会对这些问题感兴趣。农民,比如杨教授所面对的这些蘑菇种植者,将会是最早参与进来的公众群体——很有可能是在未来一两年之内。

在杨教授做完报告后,一位产业界的科学家向他提出了CRISPR食品所面临的挑战。这位研究者首先肯定了杨教授的观点,赞同这种改良的蘑菇相比于传统的转基因仅仅只需要极少的DNA改变。但是他仍然还有担忧:“它仍然还是对基因进行了改造,因此许多民众还是会认为我们在扮演上帝的角色。我们如何应对这种局面呢?”

杨教授和其他的科学家如何更好地将这些基因组编辑技术用于食品可以回答这个问题,同时这也将决定CRISPR究竟是一个潜力巨大的遗传转化技术,还是仍将陷入公众反对的困境。

“哇,就是它!”

遗传转化技术一个重要的表征就是研究者是否能迅速应用这一技术来解决他们自己的科研问题。从这个角度来说,CRISPR是过去半个世纪中最强大的生物研究工具,基因组编辑蘑菇就是其中一例明证。

杨亦农(他的名字在中文里面的意思是“也从事农业实践”)教授在2013年之前从未与蘑菇打过交道。杨教授出生于上海南边以中国“蜜桔之乡”而闻名的黄岩。上世纪90年代中期,他在佛罗里达大学读研究生和在阿肯色大学工作时曾尝试过原始的基因组编辑系统。他仍然清楚地记得,2012年8月17日,当他翻开《科学》杂志看到加州大学伯克利的杜德纳实验室和卡彭蒂耶实验室共同发表文章阐述CRISPR基因组编辑系统的潜力时,他兴奋地想:“哇,就是它!”在接下来的几天,他一直在制定利用基因组编辑来改良水稻和土豆性状的计划。他实验室关于CRISPR的第一篇文章发表于2013夏天。

他并不是唯一一个这么想并这么去做的人。许多植物科学家在CRISPR技术公开发表之后就立马转向。中国科学家是迅速接受这一技术的研究群体,他们在2014年向人们展示了如何利用CRISPR技术使得长久以来饱受白粉病祸害的面包小麦对白粉病产生抗性,这一结果震惊了农业界。

然而事实上,基因组编辑革命在CRISPR到来之前就已开始。对于像福亚塔斯这样的研究人员来说,CRISPR只是长期科学故事中最新的一个章节,只是在最近才开始收获果实。15年前,他在爱荷华州立大学时就已经利用名为锌指蛋白的技术在植物中进行了基因组编辑的初次尝试,他成立的第一个基因组编辑公司因为专利问题而失败。2008年,他搬到了明尼苏达大学,并于2010年与当时在爱荷华州立大学、现在就职于康奈尔大学的合作者亚当·波格丹诺维(Adam Bogdanove)一起申请了基于TALENs技术的植物基因组编辑系统。就在同一年,福亚塔斯和他的合作者们创立了现在广为人知的Calyxt公司。在没有CRISPR之前,农业科学家们已经利用TALENs研发出了基因组编辑植物,这些植物已经在美国的北部和南部的田地里种植。比如,Calyxt公司就研发出了两个可以产生更健康油脂的大豆品种,这两个大豆中所含的单不饱和脂肪酸的含量甚至与橄榄油和菜籽油中单不饱和脂肪酸的含量相当。同时,该公司还对一种土豆进行了基因组编辑以阻止其在冷藏时积累某些糖类,这样就可以减少土豆冷藏过程中形成的苦味,并且还减少了土豆在油炸过程中产生致癌物丙烯酰胺的量。

由于这些遗传改变并没有涉及任何外源基因的引入,因此美国农业部动植物卫生检疫局(USDA-APHIS)在去年作出决定,认为这些基因组编辑作物并不需要被当成转基因作物来进行监管。“美国农业部已经批准了一个土豆和两个大豆品种的种植,因此被批准的土豆和其中一种大豆今年已经开始田间种植了。”福亚塔斯去年10月份说,同时他还说:“他们现在已经认定这些基因组编辑作物是普普通通的植物,与那些通过化学诱变或是伽马射线诱变或是那些不受监管的技术产生的植物一样。目前的事实是,一旦我们获得批准,几乎可以直接将产品从温室里种植到大田中,这是一个巨大的进步,可以极大地加速我们的产品研发过程。”

动物科学家也加入了基因组编辑的潮流之中。Recombinetics是位于明尼苏达的一个小小的生物技术公司,那里的研究人员已经成功地关闭了控制荷斯坦牛犄角生长的生物信号途径,而荷斯坦牛是牛奶产业中的主力。他们利用基因组编辑技术,将安格斯肉牛体内天然存在的一个不长犄角的突变基因复制到荷斯坦牛身上。以前,奶牛农场主需要人为去掉小公牛正在发育的犄角尖并高温灼烧犄角根部(这么做是为了保护奶牛和农场主免于在打斗中受伤),但由于基因组编辑的应用,荷斯坦公牛有可能免受可怕的去犄角过程,养畜也以一种更为人道的方式进行。

科学家对此给予高度评价。这个公司的CEO,斯科特·法伦克鲁格(Scott Fahrenkrug)认为,这种方法根本不会涉及到转基因,仅仅只是DNA序列几个碱基的改变以使其与天然存在的DNA序列一致。与此同时,韩国和中国的科学家也组建了相应的科研团队来研发具有更多肌肉的肉猪品种,他们通过基因组编辑技术来敲除掉一个名为肌肉生长抑制素的基因。

快速、简便、低成本使得CRISPR相比TALENs更加具有吸引力。福亚塔斯说:“毫无疑问,CRISPR将会是植物基因组编辑工具的不二选择。”但是专利纠纷的不明朗——加利福尼亚大学和博德研究所(由麻省理工大学和哈佛大学合办)都声称是他们发明了CRISPR——将会减缓其在农业应用中的商业化。杜邦公司最近与加州大学伯克利分校有关联的生物公司Caribou Biosciences达成了“战略联盟”,以将CRISPR应用到农业上。但是有两个小的生物技术公司的经理告诉《科学美国人》,由于围绕CRISPR的专利纠纷还未解决,他们对研发CRISPR相关的产品还是相当谨慎的。

这对专注科研的实验室来说倒不是个大问题。基因组编辑蘑菇的故事在2013年10月迎来一个决定性地转折,当时杨教授在宾夕法尼亚州立大学的校友戴维·卡罗尔(David Carroll)偶然来拜访他,卡罗尔是Giorgi Mushroom公司的董事长,他想知道新兴的基因组编辑技术是否可以用于改良蘑菇。鉴于CRISPR产生精准突变的强大能力,杨教授说:“你是想获得哪种预期的性状呢?”卡罗尔建议从抗褐变着手,杨教授当即同意可以试一试。

杨教授明确知道他需要编辑哪个基因。生物学家们已经鉴定出一个包括六个基因的家族,这个家族的每一个基因都可以编码引起褐变的酶(同类的基因也会引起苹果和土豆的褐变,这两个物种中相应基因也已经通过基因组编辑技术获得了抗褐变的品种)。其中四种褐变基因会在蘑菇的子实体中产生大量的酶,因此杨教授认为,如果能够通过基因组编辑技术引入突变,关闭它们之中某一个基因的功能,那么他就很有可能减缓褐变的速率。

借助于CRISPR系统,生物学家们可以量身定制一个分子工具来实现这类突变,就像一个集合了罗盘、剪刀和钳子等功能的多用途刀具一样,这些工具在完成两种任务方面极具优势:识别特定的DNA序列以及随后的剪切过程(蛋白钳、或称为支架蛋白会在剪切过程中将每一个组件固定在特定位置)。特定序列的识别有赖于一个称之为指导RNA的小片段核酸,这一小段核酸是特别设计用来识别特定DNA序列的,可通过沃森和克里克提出的著名的碱基配对原则(即A碱基与T碱基配对,C碱基与G碱基配对)与相应序列进行互补配对。如果你设计指导RNA的长度是20个碱基,那么它将会以类似GPS的精度在双孢蘑菇含有三千万个碱基的基因组DNA上找到与之对应的序列。随后会通过名为Cas9的酶来进行切割,Cas9最初是从奶酪的细菌培养物中分离出来的。 我们常说的“CRISPR/Cas9”其实是有点用词不当的,因为CRISPR是指成簇的、规律间隔的短回文重复序列,是指细菌中才有的小片DNA;而“装载”了RNA定位序列的Cas9蛋白才是真正的用于植物、真菌和人类DNA编辑的元件,即便没有CRISPR的参与,Cas9蛋白也可以行使编辑功能。

一旦基因组编辑元件在DNA上特定位置切下第一刀,接下来基因突变的“脏活累活”就完全交给大自然的鬼斧神工去完成了。任何时候,只要DNA的双螺旋结构被切开,细胞就会立马发现伤口并且会进行切口的修复工作。然而,这些修复反应并不是完美无缺的,这也是CRISPR能够在产生突变方面如此之强大的原因所在。在修复过程中,DNA往往会有几个碱基会被删除掉;由于细胞中的蛋白质生产机器是以三联体密码的形式读取DNA序列的,因此少数几个碱基的删除会彻底破坏后续的整个蛋白序列, 因此,“读码框的移码”就会使得基因完全失活,这就是基因组编辑蘑菇中真实发生的情况。在杨教授的研究工作中,一个微小的DNA序列的删除使得一个促使褐变的酶失活——杨教授及其合作者通过DNA序列分析对这一突变进行了核实。据杨教授说,任何一个有经验的分子生物学家都可以在三天时间内建立起一个量身定制的突变工具,用于编辑几乎任何生物体内的任何一个基因。

经常使用CRISPR的科学家们深有同感:它快速、便宜且易操作。杨教授的实验室仅仅只用了两个月时间就研发出了抗褐变的蘑菇;对杨教授来说,这种研究工作已是家常便饭。这一技术的成本低的令人难以置信。最艰难的一步——合成指导RNA和支架蛋白,仅仅只需要几百美元;许多小型生物公司现在按照客户要求制备CRISPR复合体来编辑任何任何基因。最大的成本是人力:Xiangling Shen,他是杨教授实验室的博士后,部分时间参与这一课题。杨教授说到:“如果不考虑人力成本,其成本可能还不到一万美元。”在农业生物技术领域,这一成本几乎可以忽略不计。

同时这也并不会导致在监管层面对CRISPR的规则的改变。去年10月份,杨教授向USDA-APHIS的联邦监管官员正式展示了他的基因组编辑蘑菇,而USDA-APHIS正是决定遗传修饰的作物是否属于政府监管框架范畴的法规机构(简而言之就是决定这些作物是否属于转基因产品);他满怀欣喜地离开会场,因为美国农业部的监管官员并不认为CRISPR研发的蘑菇需要特殊或是额外监管。如果事实确实如此,那么这可能是促使CRISPR成本进一步降低的最重要因素:福亚塔斯估计监管审查过程可能需要花费多达3500万美元并且该过程会长达5年半时间。

CRISPR编辑的蘑菇还有另外一个优势,这可使得其成为CRISPR在农业应用中的成功案例:蘑菇真菌的生产速度非常快——从菌丝到成熟仅仅只需要5周时间,这些蘑菇可以经年累月在无窗的、气候可控的蘑菇房中不停地生产。而Calyxt公司研发的基因组编辑大豆和土豆则需要数月的时间才能完成田间试验,这也是为何该公司努力寻求并最终获得了监管批准,以便赶上2014-2015年的冬天在阿根廷种植他们新研发出的大豆品种。福亚塔斯说:“你得围绕着赤道在南半球和北半球来来回回倒腾,才能在一年之中进行多次种植。”Calyxt公司去年10月份在北美地区第一次从地里收获到了基因组编辑作物。

公众一直以来对转基因怀有的一个恐惧就是其可能导致的非预期效应。从生物技术食品的角度来说,这通常意味着导致食品不健康的非预期毒性或者是过敏原性(不过,从未有在转基因食品中发现这种情况的报道)或是某一转基因作物因为有生存竞争优势而对当地生态环境造成破坏。CRISPR甚至还让如约翰·佩恰(John Pecchia)等人思考其带来的意想不到的经济后果。宾夕法尼亚州立大学两位研究蘑菇的教授之一佩恰花费了很多时间,在大学校园边低矮的煤砖建筑物内进行蘑菇研究,这也是美国唯一的蘑菇研究中心。2015年的春天,佩恰教授从杨教授那里取得一些菌种,生产了第一批基因组编辑蘑菇。当他站在一堆潮湿、发臭、正在80摄氏度高温下发酵的蘑菇基肥面前时,他想到若是蘑菇有较长的保质期,那么超市或菜场对蘑菇的需求就会下降,也许还会导致意想不到的激烈竞争,他补充道:“还有可能会导致国外蘑菇进口量增加,因此基因组编辑蘑菇也是一把双刃剑。”

在转基因食品进入到市场的曲折道路上,还有另一个悖论需要仔细考虑。没有人知道基因组编辑的蘑菇吃起来味道如何,它们会被蒸、煮,但是并不会直接用来食用。目前获得的基因组编辑蘑菇在杨教授进行褐变测试之后均已被销毁,佩恰说:“一旦测试完毕,我们就会把它们销毁掉。”

非转基因的遗传修饰

公众是否会欢迎基因组编辑食品进入他们的厨房或者是饭碗中?这应该是CRISPR食品故事中最有趣一章中的中心问题,与围绕转基因作物进行了30年的争论不谋而合。

杨教授在向宾夕法尼亚州的农民以及美国农业部官员讲述他的蘑菇研究计划时,他使用了一个十分贴切的词语来描述他的研究过程——“非转基因的遗传修饰”。这一词语极小心地尝试将新兴的、高度精准的如CRISPR之类的基因组编辑技术与那些早期的、需要向某种植物中引入外源DNA(转基因)的农业生物技术区分开来。对杨教授及许多其他研究者来说,这一精心设计的用词对于重新定义转基因争论是非常重要的。实际上,“GEO”(指基因组编辑作物,gene-edited organism)这一缩写已经开始取代“GMO”或“GM”。

这种观念的重新构造堪比哲学之于语言学,并在奥巴马政府重新审视转基因作物和食物监管系统时逐渐变得明朗。举世闻名的《生物技术管理协调框架》自1992年以来从未更新过,这一框架定义了美国农业部、食品药品管理局和环境保护署的监管职责。CRISPR的强大能力使得对此监管框架的重新思考变得非常之紧迫,科学家们也借此机会掀起了对一个非常古老问题的重新讨论:到底什么是“转基因”?福亚塔斯因在基因组编辑粮食作物方面发表了许多文章和专利而成为了美国许多小型农业生物技术公司的首席顾问,他笑着回答这个问题说:“‘转基因’这个词本身就非常令人头疼。”

头疼在哪里呢?许多针对生物技术食品的批评意见都认为,任何形式的转基因都会伴随着许多意想不到的突变或者改变,而这些突变或改变会对人类健康或环境有风险。但正如福亚塔斯和杨教授等科学家回应中所说的一样:所有形式的植物育种——上溯至3000年前新石器时代的农民创造出面包小麦所用的育种方式——都涉及到转基因,并且,传统的育种手段也并不总是能产生有益生物学性状的。在描述传统育种手段所产生的基因破坏后果时,杨教授使用了“巨大”一词来形容。尼娜·费多罗夫(Nina Fedoroff)是一位植物学家,也是美国科学促进会的前任主席,她曾将利用传统育种手段驯化出来的面包小麦称为“遗传怪物”。

在20世纪70年代重组DNA的时代之前,植物育种家往往利用强力破坏的方法(X射线、伽马射线或者强力的化学试剂)来改变植物的DNA。这些强破坏性的方法往往也会得到一些随机的、人为产生的突变。这些突变改变了基因特性,赋予其新的农艺性状:高产、或是美观匀称的果实、或是在如干旱之类的逆境中依然能够生长良好等等。这些有益的突变可以通过与其他品种杂交来聚合这些优良性状。这种类型的杂交育种需要很多年(通常是5到10年),但却被认为是“自然”的。

但是这一过程却是非常具有破坏性的。来自于两个不同个体的DNA通过生殖过程聚到一起时,DNA会因染色体重排过程而被扰乱,不论是人类还是植物都是如此。自然突变在每一个世代中都会发生,当育种家在选育一个优良的性状时,DNA的数百万个碱基对都会发生变化。它确实是“自然”的,但是却也是各种“混搭”。 福亚塔斯说到:“在这一过程中,你不仅仅只是转移了一个基因,通常是转移了野生物种的大片DNA。”不仅如此,在育种过程中,优良性状往往会拖着同一片DNA上邻近的非期望性状一起转移,这种“连锁累赘”往往对自然繁殖的植物是有害的。基于一些水稻遗传学研究的最新发现,一些科学家推测,驯化过程中引入那些明显的优良性状的同时也带来了大量“沉默”的有害突变。

尽管CRISPR比传统育种手段更加精准,但是这种技术并非完美无瑕。这一精准的切割工具有时会切割到那些非预期的区域,这些“脱靶”切割已经引起对安全性问题的担忧,这也是人类精子和卵细胞的基因组编辑中被认为存在不安全性和不合伦理因素的主要原因。北卡罗莱纳州立大学的政策分析师詹尼弗·古斯玛(Jennifer Kuzma)自有转基因农业以来一直在关注相关的科学和政策,她说:“精准性非常有意义,但是它并不一定就能减少风险”,脱靶切割“可能引入完全不同的途径,从而导致灾难性后果。” 博德研究所的张锋(他申请的专利目前被指有争议)已经发表了数篇文章来改进CRISPR系统以提高其特异性并降低脱靶率。

CRISPR简便、低成本,这使得许多科研单位和小的生物技术公司能参与到一直被大型农业公司所主宰的游戏中去。最初,只有财大气粗的大公司可以应付得了耗费甚多的监管,直到现在,几乎每一个遗传工程研发出的改良作物都是通过提高产量来增加农民和公司的经济效益;孟山都的抗除草剂田间作物种植面积不断扩大或是卡尔金公司研发的航运中抗寒的Flavr-Savr 番茄。这些转基因作物对农业生产者的吸引力远大于消费者,它们与食品的联系也不多。加利佛利亚州立大学戴维斯分校的农业政策专家小组最近观察到“跨国公司在过去10年来一直主宰着相应的领域,但其中有半数的公司除了抗除草剂和抗杀虫剂之外就未见到其他的创新”。

新进入的参与者带来了一系列的农业上的创新。福亚塔斯认为基因组编辑的精准性允许生物技术科学家将目标转向消费者所关心的性状,研发出更健康、更安全的食品。福亚塔斯和他合作伙伴——中国科学院的高彩霞——指出植物有许多“抗营养因子”:有毒的自我防卫物质或者本身就是毒素的物质,这些物质均可以通过基因组编辑而去除,以此来提高营养和口味。比如,Calyxt公司研发的基因组编辑土豆就可以减少其在冷藏过程中产生的苦味。

但是福亚塔斯的目标更进一步,他相信Calyxt公司研发的基因组编辑大豆可以作为非转基因产品卖给那些农民,与美国种植的90%的大豆不同,基因组编辑的大豆并不含任何转基因成分。他说:“许多人不想要转基因的产品,而种植我们研发的基因组编辑大豆可以生产出非转基因的大豆油和非转基因的大豆粉。”

与其他强大的新兴技术一样,CRISPR激励了许多农业梦想家去畅想未来农业种植中如科幻小说般的场景。迈克尔·帕尔姆格伦(Michael Palmgren)是哥本哈根大学的一名植物生物学家,他提出科学家可以利用新兴的基因组编辑技术来“野生化”食品作物,也即再现那些在许多世代的农业育种中所丢失了的那些性状。许多有重大经济效益的食品作物——尤其是水稻、小麦、橙子和香蕉——对植物病原菌及其敏感,因此重新找回那些丢失的基因可能会增强它们的抗病性。帕尔姆格伦和他在丹麦的合作者渴望能够“逆转那些育种中的非预期结果”。

“野生化”的尝试已经在曲折地进行中。福亚塔斯说他在明尼苏达大学的实验室正在尝试他所提出的“分子驯化”,而不是去找回那些驯化育种过程中所丢失的野生性状。“分子驯化”期望通过将现有杂交种中的农业优良基因转移到更具适应新的野生物种中去,比如玉米的祖先。福亚塔斯说到:“通常,这仅仅只是只需要少数几个关键性的改变——5、6或7个基因——就可以使得野生物种获得优良性状,比如果实大小、玉米果穗数目等等诸如此类的改变。与往往需要约10年的、将野生种与驯化而来的现代种进行杂交相比,我们可以直接进入到物种的基因组对这几个基因进行编辑,然后就可以直接驯化野生种了。”

有迹象表明包括CRISPR在内的基因组编辑技术可能享受到更为快速的监管通道。目前为止,已有一些美国的监管者倾向于认为某些基因组编辑作物与转基因作物是不同的。当Calyxt公司第一次询问美国农业部其基因组编辑土豆是否需要监管审查时,联邦政府官员花费了一年时间讨论,最终于2014年8月下定结论说基因组编辑不需要接受特殊的审查;当该公司去年夏天再次到美国农业部询问该公司的基因组编辑大豆情况时,政府审查者仅仅花了两个月时间就得出了类似结论。对公司来说,这意味着美国当局将这种技术与转基因技术从根本上区别开来了;对那些批评者来说,这意味着监管漏洞。杨教授的蘑菇可能是美国农业部所审查的第一例CRISPR食品。

诸如CRISPR之类的新兴技术正在迫使一些政府重新审视转基因的定义。去年11月,瑞典农业委员会立法规定,某些由CRISPR引入的植物突变并不符合欧盟对转基因的定义。与此同时,阿根廷也得出类似的结论,认为基因组编辑植物并不属于转基因的监管范畴。历来一直限制转基因植物的欧盟最近在审视其针对基因组编辑技术的政策,但是由于其一贯滞后的作风,法律分析结论最早到今年3月份才会公开。由于并没有什么中间地带,福亚塔斯与其他人一起提出了一个可能的折衷方案:引入了突变或“敲除”的基因组编辑应该与传统的植物育种(比如,利用X射线来产生突变)同等对待,而对那些引入了新的DNA(“插入”)的基因组编辑则应当基于个案分析进行的监管审查。

基因组编辑作物进入食品市场的那一天应该不会太远了。福亚塔斯估计Calyxt公司将会在2017或2018年为该公司的基因组编辑大豆举办一个小型商业发布会。他说:“我们需要花些时间来准备足够的种子,差不多用于满足50万公顷的种植面积。但是我们正在竭尽所能地推进此项目。”

公众会如何反应呢?古斯玛预测,一直以来对转基因持反对态度的人也不会买CRISPR的账。她说:“那些反对第一代转基因食品的公众不大可能仅仅是因为这种新兴第二代遗传工程只改变很少的DNA而欢迎它们。他们只会像对待传统转基因一样对待这种新兴技术。”在越来越多的基因组编辑食品等待进入市场的“转折时刻”,重新修改整个监管框架和将更多的声音传递到审查过程中显得尤为重要,而古斯玛对此则充满担忧。

基因组编辑蘑菇的后续故事如何?尽管杨教授的报告赢得了满堂喝彩,但是那些蘑菇种植者的反应却不明朗。杨教授向种植者坦诚“它能否获得商业化完全在于你们的选择”。截至目前,抗褐变的蘑菇还仅仅只是一项科研项目,它证明了基因组编辑方案实际可行。如果种植者不能确信抗褐变蘑菇的价值或者是担忧消费者会抗拒它,那么研发成熟的基因组编辑蘑菇产品可能永远都将不见天日,这对在黑暗中生长的蘑菇来说可能是一件好事,但是对一种新兴的、有巨大潜力的变革技术来说却是凶多吉少。

其他名称的遗传修饰方法

人类培育作物有数千年的历史了,在这段时间内他们一直致力于鉴定并整合那些优良性状(比如高产、抗病)到已有的植物品种中。最初,他们利用传统的杂交手段。在20世纪初期,科学家学有意识地对植物DNA进行突变以期在大量随机突变中获得优良性状。现今,科学家借助新的“精准育种”技术——如CRISPR,可以在特定基因进行突变或是以空前的准确性插入一个新的基因。然而所有这些技术都改变了植物的DNA,因此到底什么才算做是转基因呢?

关键概念

诱变育种 自20世纪20年代开始,农业科学家就有意识地利用X射线、伽马射线或是化学试剂对植物种子的DNA进行诱变,随后播种这些种子来观察他们是否获得了优良性状。如果获得了优良性状,就将突变植株与已有品种进行杂交。用这种方法培育的植物并不会被美国农业部认定为转基因。

基因沉默 在过去的十年,科学家已经有能力通过向植物细胞中引入破坏性的RNA来关闭那些引起有害性状的基因。这种名为“干扰”RNA就是设计出来破坏一个导致有害性状的特定DNA序列的功能。包括不会褐变的土豆和苹果在内的许多食品作物都是通过这种方式研发出来的。美国农业部却并不会将它们归为转基因。

同源转基因 这一过程是向植物中引入一个来源于近缘物种的特定基因。这一转移过程通常是由一种名为根癌农杆菌的植物侵染病菌来完成的,借助这种病菌可以半随机地将基因插入到植物的DNA中。美国农业部基于个案原则来审查这种同源转基因植物并决定他们的监管措施。

异源转基因 这一技术是向植物中转入一个编码优良性状的外源DNA,也就是来自于无亲缘关系的物种。与同源转基因一样,当根癌农杆菌侵染植物细胞时就可被用来将外源DNA转移到目标植物中。这种转基因的例子有插入了抗除草剂的基因的玉米。目前美国种植的大豆中有90%是转基因的。美国农业部认定这种观念异源转基因植物是转基因的。

传统杂交育种

该方法包括选择育种和杂交后诱变。在自然杂交过程中,包含优良性状的大片段染色体(多达数百万碱基对)被引入到驯化后的栽培种之中。随后的杂交会减少转入的DNA,但是插入片段仍会多达数十万碱基对,并可以因此而“搭载”了有害性状。2010年一篇文章对拟南芥(相当于植物研究中的“小白鼠”)的基因组分析表明传统育种会在每一个世代中在百万碱基对中引入约7个自发的新突变。

第一代转基因方法

在20世纪80年代,农业科学家研发出了第一代转基因作物。他们或利用生物学方法(农杆菌介导),或利用物理力量(基因枪)将新基因插入到植物细胞中。被转入的基因可以来源于近缘物种(同源转基因),也可来源于远缘物种(异源转基因)。

第二代的基因组编辑技术

借助于精准的基因组编辑技术(锌指蛋白、TALENs和CRISPR),生物学家可以使特定的基因失活或是替换。替换掉的基因可以来自于远缘物种(异源转基因)或者是来自于近缘物种(同源转基因)。尽管CRISPR可以锚定特定位点,但是随后的Cas9蛋白却偶尔会导致非程序性“脱靶”切割;有限的数据表明这种脱靶事件在植物中是稀少的。

CRISPR工具锚定到靶序列位置,然后Cas9蛋白酶切割DNA的两条链。当细胞对这个双链切割位点进行修复时,它会在此位点偶然添加几个碱基对,这一变化足以将整个基因突变掉(敲除)。反之,同样是这套靶序列切割技术可以被用于插入一个编码优良性状的新的基因,这种情况下可以插入多达成百上千个DNA碱基对。

【基因农业网独家稿件,欢迎转载,转载请注明版权。】

来源:基因农业网

相关文章