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变异、转基因、同源转基因、基因编辑及其生物安全问答

1、什么是变异?为什么变异是必须的?变异与遗传育种的关系?诱变育种是什么?

答:遗传上亲子之间以及子代个体之间性状表现存在差异的现象称为变异。变异来源于基因重组、基因突变或染色体畸变。从进化的角度来看,变异是生物应对环境从而产生适应性的遗传学基础,对生物体的进化至关重要。一个生物体基因组一成不变或变异速率适应不了外界环境的变化的结果将是物种灭绝。这种事情无时不刻不在发生。据统计,全世界每天有75个物种灭绝,每小时有3个物种灭绝。因此,变异是生物体应对自然与人为环境的重要遗传机制。作物遗传育种的主题就是变异与选择。育种家把“有益”的变异累积聚合起来,供育种与生产应用,是育种家长此以往一直在自觉或不自觉地从事的工作主题。人类也经过通常物理、化学与生物学诱变的方法创造人为的变异,称之为诱变。诱变育种是遗传育种的重要手段之一。诱变育种是随机产生的大量突变,而且这些突变基本上都是有害的,需要从大量突变中筛选符合人类生产目标的“有益”突变。

2、什么是异源转基因技术?自然界存在转基因吗?为什么人类干预的异源转基因技术需要进行安全评估?

答:异源转基因技术是受体物种中转入外源基因的技术。异源转基因技术在自然界也大量存在。最典型的例子就甘薯,甘薯中寄生的病毒会把的外源基因转入甘薯之中,从而产生退化。这也是为什么脱毒甘薯技术是生产上重要技术手段的原因。自然界还有很多已发现异源转基因的例子。事实上,90%的植物病毒都无法离体独立生存,甚至也无法独立培养,与寄主共生的过程会导入外源基因。因此,外源转基因在自然界的存在非常广泛。自然存在的异源转基因,由于其一直存在于生态系统之中,本身是生态系统的一个环节。自然界有无形的规律来维持这种平衡。因此,没有必要也无法进行安全评价。即使有害,人类也无法干预。人为的异源转基因,即所谓的人类干预的异源转基因技术因为我们自身认知所限,有可能产生未知的毒素、过敏原,因此要进行食品安全的评价。在环境中释放这种人为干预的异源转基因有可能对生态系统中其它生物产生影响,因此,有必要进行环境与生物安全评价。

3、什么是同源转基因(cis-genesis)?同源转基因与异源转基因的区别与联系是什么?同源转基因产品的食品与生物安全问题还存在吗?

答: 同源转基因是指转入和受体物种一致或近缘的“优异”基因,转基因元件与基因均来自物种本身或其近缘物种。同源转基因所转的是自然界本身存在于这种物种中的同源基因,其他遗传元件如启动子也是来源于物种自身,因此,并没有人为改变物种的基因。与常规育种相比同源转基因并未增加额外的风险。同源转基因的本质是人为地干预了基因进化的过程,让自然界可能需要很长时间才能发生这种同源遗传元件与目标基因的重组事件通过生物技术手段实现。同源转基因产品的生物安全问题依然在争论。目前,这种转基因技术也都处于监管之中,但对于这种转基因事件的监管的内容与程序相对容易也简单。

4、什么是基因编辑?基因编辑的主要基本技术、类型以及发展趋势?基因编辑实现的技术突破是什么?有哪些可能的应用导致引起业界人士如此关注?

答:基因编辑是指根据人工设计对受体目标基因进行插入、缺失、修改、替换等精确DNA修饰的定点定向突变的技术。基因编辑根据识别DNA靶标的机制可以分为基于蛋白DNA定点识别的ZFN技术、TALEN技术以及早前的归巢核酸酶技术,和基于RNA识别的CRISPR/Cas9技术等等以及正在发展的CRISPR/Cpf1技术。基因编辑技术未来的发展趋势应是进一步提高特异性,降低脱靶效率。生物的进化本质是变异和适应。以农作物为例,遗传育种的主题是基因变异与选择,并把优良的基因聚合到品种中从而进入生产应用。传统的方法是通过一些物理、化学与生物的方法产生大量的随机变异,再从中筛选符合人类育种与生产目标的变异。然而,筛选有益变异并开发应用的效率低。可实现对目标基因实现定点定向突变技术一直是人类孜孜以求的目标。这正是基因编辑为什么这么吸引人的原因所在。

5、CRISPR/Cas9基因编辑技术的基本原理与步骤。

答:CRISPR/Cas9技术主要是基于细菌或古细菌的II型免疫系统开发的。当外源病毒入侵时,宿主会将外源DNA的一段序列整合到CRISPR重复序列中形成间隔序列,相当于“记录”下有害外源侵入DNA “标签”,然后CRISPR转录表达与能行使DNA降解Cas蛋白DNA酶结合,特定的切割含有这种“标签”的外源DNA,从而实现对其免疫。根据这一基本原理,研究人员找到最简化的Cas9系统,开发了基于DNA介寻的定点识别基因编辑技术。正因为我们可以定向定点修改基因,基因编辑技术在生物技术领域可以涉足的领域具有广阔的应用空间。从人类医学与健康的角度来看,基因编辑意义更为重大。它赋予了人类在胚胎早期活体内修复遗传缺陷与人为修改基因的可能,从而实现我们可以设计与修改人类本身基因型的可能。当然,离这一步还有很多关键的技术与伦理与问题需要解决。

6、基因编辑与转基因技术的关系是什么?

答:基因编辑产生的过程中会应用到转基因技术,但又与转基因技术完全不同。转基因技术是受体物种中转入外源基因的技术。基因编辑技术会利用到稳定或瞬时表达转基因技术,但最终受体物种中并没有残留外源基因,只是对受体自身的基因按人为的目标进行了定点定向突变。

7、什么是基因编辑的脱靶效应?国际上关于基因编辑生物安全的观点与提出的生物安全管理框架?

答:脱靶效应是指在目的基因设计的目标区域之外可能发生的非预期的突变效应。国际国内专家倾向认为基因编辑技术与传统诱变育种技术对DNA序列改变的效果类似,在安全性方面和传统育种具有可比性,它们的本质上都相当于人工诱变,加速自然突变的进程,只是基因编辑技术比传统育种具有精确度高、定点、定向突变的特点。目前,包括美国在内的多个国家已批准转基因编辑修饰后的材料进入田间测试。尽管基因编辑技术没有引入外源基因,但该技术操作过程涉及到基因工程,仍影响群众的接受度。目前,对农作物而言,评估编辑的特异性、严格排除可能的转基因污染是建议监管的技术框架。因此,基因编辑技术的发展仍需加强科普宣传,促进该技术产业化健康的发展。

8、基因编辑在人类医学健康领域和农作物领域应用安全性的区别?农作物基因编辑脱靶效应的机率有多高?为什么回交应用能进一步降低脱靶效应?

答:从目前的实验数据来看,基因编辑在动物细胞系中的发现到的脱靶效率较高。要远远高于植物中能发现的的脱靶效应。因此,一是本身在动物细胞中的脱靶效应更高;二是在人类医学健康领域安全性要求更高,如产生非预期性的突变可能导致严重的健康风险,因此必将会更为谨慎。农作物遗传改良与医学应用有很大的不同。医学的对象是人自身。另一个不同点是,农作物基因编辑的后代通常还要遗传背景的回复,通过高代的回交将把目标基因之外可能的脱靶突变排除。但这一点在人类是不可想象的。

9、抗虫与抗除草剂等转基因生物技术在产业上取得巨大成功的领域,有望能通过更安全与绿色的基因编辑技术来替代实现吗?

答:抗虫和抗除草剂转基因技术是将抗虫抗除草剂基因通过遗传转化的方式转化到植株中并表达,来获得抗虫与抗除草剂等性状,目前国际上农作物生物技术的应用在抗虫与抗除草剂上是应用最为成功的例子,实现了大规模的商业化应用。基因编辑也有望在这两个性状上取得突破。例如,已有研究表明利用基因编辑技术将玉米、水稻等ALS蛋白与除草剂结合区域产生突变,可改变其结合活性,从而对除草剂产生抗体性,选育出抗除草剂品种。随着对植物基因的不断认知与基因编辑的持续发展,利用基因编辑实现抗虫抗除草剂农作物的选育,将成为可能并是未来技术的发展趋势之一。由于是对已知内源目标基因适当改造,并没有改变其它活性,且又没有转基因的顾虑。因此,这种产品的应用将更容易被接受。

10、人类胚胎基因编辑研究为什么会受到如此关注与反对?

答:中国先前报道的两例人类胚胎的基因编辑研究在世界上引起巨大关注。因为,对于人类胚胎的基因编辑与进行基因治疗的基因编辑存在实质的不同,不可等同视之。基因治疗的基因编辑我们只要关注其可能的负作用与脱靶效应等安全风险。但在人类胚胎上开展此类尝试完全不同,这是在人为创造一个新的人,设计他(她)的基因型,实际上人类在扮演自身“上帝”的角色。科学界的共识是反对此类研究。

本文转载自:中国农科院谢传晓老师的博客:http://blog.sina.com.cn/feagle

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