转基因动物与生物医药产业

中 国 工 程 院 院 士上海医学遗传研究所所长曾溢滔(上海医学遗传研究所 , 上海 200040)摘要 :通过转基因动物的乳腺生产珍贵的药用蛋白质 ,这对生物医药产业界充满诱惑力 。一方面 ,诸如牛 、羊等转基因家畜生产的人重组蛋白质是经过转录后加工和修饰的 ,与人的蛋白 质十分相似 ,因而具有高的生物活性 。另一方面 ,与传统医药工业相比 ,转基因动物污染少 、利润高 ,因此是一个理想的重组蛋白生产方式 。关键词 :转基因动物生物技术医药产业21 世纪将是生命科学突飞猛进的时代 。科学史表明 ,一门学科的巨大进步往往是和 它本身存在的种种悬而未决的问题联系在一 起的 。那么 ,遗传学和发育生物学在 21 世纪 将面临哪些重大课题呢 ?21 世纪的遗 传 学 面 临 的 根 本 问 题 有 三个 :一是遗传的物质基础 ,即基因组问题 ,无 论人类基因组计划 ,还是水稻基因组计划 ,都 是要弄清其结构和功能 ;二是个体发育问题 , 即从一套基因组 ,一个受精卵怎么能发育成 一个个体 ,由什么基因来调控和决定胚胎在什么时候发育成眼睛 ,什么时候发育成四肢 ,等等 ;三是系统 发育问题 ,即在分子水平上弄清为什么能从原始生物一直发展到复杂 、高等的人类 。上述第一个问题 ,随着 21 世纪人类基因组计划和人类 基因组后计划的研究进展即可解决 ,但第二 、第三个问题也 许整个 21 世纪都难以解决 。例如人的个 体 发 育 就 非 常 复 杂 。人体细胞内的 10 万个基因并不是同时开放的 ,而是发 育到某一阶段会开放某些基因 ,同时关闭某些基因 ,这是非 常有序而巧妙的 。利用转基因动物技术 ,我们可以人为地有 目的地改变某一动物个体的基因组成 ,从而在生物个体水平 上 ,研究某一特定基因的生物学功能及其对生物个体发育乃 至系统发育的影响 ,这是探讨上述第二 、第三个问题的一把钥匙 。生命科学将在 21 世纪的人类 生 活 中 占 有 极 突 出 的 位发展 ;二是生命科学的产业将推进整经济的发 展 。生 命 科 学 与 国 计 民 生大 ,如医学和药物学是我们健康的有力农牧生物学则可以极大地提高农业和产品的数量和质量 ,为人们提供不竭 之源 。利用转基因动物技术 ,我们既 快作物和家畜品种的改良速度 ,提高 肉 、奶 、蛋等食物的品质 ,又可以生产药用蛋白 ,为遗传病患者造福 。可以说因动物技术对于人们千百年来所追求足食 、延年益寿两大目标都将作出巨大作为一门从诞生到现在只有十几年历史的生物术 ,转基因动物技术既具有深远的理论价值 ,又具有应用价值 ,因而成为近年来生物工程领域研究的热点这里我们主要就通过转基因动物技术来生产珍贵的白作一介绍 。一 、生物医药产业的过去和现在生物医药产业的发展经历了三个不同的历史阶早期是天然药物 ,如中草药 ,从中提取我们所需要的成加工成中成药 ,这是第一步 。但人类并不满足于此 ,过化学方法合成新的药物 。合成的药物有些是天然没有些是对天然药物的改进 ,使它更有效或更廉价 。年代后期 ,随着 DNA 重组技术的问世 ,诞生了基因工生产带来了一场革命 ,推动了整个医药业的发展 。基因药物的发展也经历了三个阶段 :其一是细菌基因工 程 ,即把目的基因通过适当改建后导入大肠杆菌等工程 菌中 ,通过细菌等原核生物来表达目的基因 。目前上市的基因 工程药物绝大多数都采用这一方法 。但是细菌基因工程有 两大缺陷 :一是细菌本身是一种低等生物 ,我们把构建好的 哺乳动物乃至人类的基因导入细菌里 ,往往不能表达 ; 二是 即使表达了 ,产品往往没有生物活性 ,必须经过糖基化 、羧基 化等一系列修饰加工后才能成为有效的药物 。这个过程是 相当复杂的 ,成本和工艺上也有许多问题 ,因而限制了细菌基因工程的发展 。细菌基因工程的缺陷 ,使人们想到若把人或哺乳动物的 基因直接导入到哺乳动物的细胞株里 ,能否克服上述缺 陷 呢 ? 这就出现了第二阶段的基因药物 ,即细胞基因工程 。细 胞基因工程解决了两个问题 : 第一 ,它能够表达人或哺乳动 物的蛋白质 ;第二 ,哺乳动物细胞具备对蛋白质进行修饰加 工的条件 。用这样的方法可以生产出有生物活性的产品 ,如 用这种方法生产的人凝血因子 IX 就是一种代表性产品 。然 而细胞基因工程也有不足之处 ,因为人或哺乳动物细胞培养 的条件相当苛刻 ,成本太高 ,这样就限制了细胞基因工程的发展 。由此人们又想到 ,是否可以将人们所需要的目的基因导 入哺乳动物如鼠 、兔 、羊 、猪的体内 ,使这种目的基因在哺乳 动物体内表达 ,从而获得目的基因的产品 。一个伟大的构想 开始有了轮廓 ;即把人或哺乳动物的某种基因导入到哺乳动 物的受精卵里 ,若导入的基因与受精卵的染色体 DNA 整合 在一起 ,细胞分裂时 ,染色体倍增 ,该基因也随之倍增 ,每个 细胞里都带有导入的基因 ,而且能稳定地遗传到下一代 。这 样产生的一种新的个体 ,称之为转基因动物 。转基因动物的 问世 ,为利用新的基因工程手段获得成本低 、活性高的基因药物开辟了一条新的途径 ,基因药物也由此进入了第三发展 阶段 。综上所述可知 ,基因药物的三个发展阶段其表达系统的 层次不一样 ,即从原核细胞 (细菌等) ,到真核细胞 (人或哺乳 动物细胞) ,再到个体 。转基因动物是一种个体表达系统 ,代表了当今时代药物生产的最新成就 ,也是最复杂 、最具有广阔前景的生物表达系统 。人们很快就想到 ,假如我们如法炮制 ,把生长激素基因导入猪的受精卵 ,小猪会长得比牛大 ,导入牛的受精卵 ,牛会 比大象还要大 。但是问题并不是那么简单 ,在转基因动物研究过程中 ,科学家发现按照上述的做法 ,导入的生长激素基因在动物体内表达的部位往往和我们所期望的部位不一致 。于是出现了畸胎 、死产或者产下如巨头 、肢端肥大症等畸形生物 。因此 ,如何让表达控制在某一特定部位 ,而不是随机 表达在身体任意部位 ,就成了新的课题 。那么 ,表达在身体的哪一个部位最好呢 ? 这根据我们研 制转基因动物的目的而不同 。就通过转基因动物 ( 家畜) 来生产基因药物而言 ,最理想的表达场所是乳腺 。因为乳腺是一个外分泌器官 ,乳汁不进入体内循环 ,不会影响到转基因 动物本身的生理代谢反应 。从转基因动物的乳汁中获取目 的基因产物 ,不但产量高 、易提纯 ,而且表达的蛋白经过充分 的修饰加工 ,具有稳定的生物活性 。因此称为“动物乳腺生 物反应器”。细菌基因工程需要很大的发酵车间 ,细胞基因 工程也需要很多昂贵的设备来培养细胞 。若用转基因动物 , 就只需要饲养牛 、羊等家畜即可 。所以用转基因牛 、羊等家 畜的乳腺表达人类所需蛋白基因 ,就相当于建一座大型制药厂 ,这种药物工厂显然具有投资少 、效益高 、无公害等优点 。从生物学的观点来看 ,生物机体对能量的利用和转化效 率是当今世界上任何机械装置所望尘莫及的 ,因此通过转基 因动物来生产药物是迄今为止人们所能想象得出的最为有 效 、最为先进的系统 。三 、转基因动物生产药物的优越性利用转基因动物 ( 家畜) 乳腺生物反应器来生产转基因药物是一种全新的生产模式 ,与以往的制药技术相比 ,具 有不可比拟的优越性 。转基因动物的乳腺可以源源不断地 提供目的基因的产物 ( 药物蛋白质) ,不但产量高 ,而且表达 的产物已经过充分修饰和加工 ,具有稳定的生物活性 。作为 生物反应器的转基因动物又可无限繁殖 ,故具有成本低 ,周 期短和效益好的优点 。以转基因动物来生产目的产品 ,可极大地降低成本和投 资风险 (图 1) 。国外经济学家曾算过一笔帐 ,若用其它生产工艺 (如哺乳动物细胞培养方法) 来生产 1 克药物蛋白质 ,成 本需 8005000 美元 ,而利用转基因动物只需 0102015 美 元 。二 、转基因动物 乳腺生物反应器在药物开发周期方面 ,目前一种新药从它的研制开发 、转基因动物是指通过实验方法 ,人工地把外源基因导入动物的受精卵 (或早期胚胎细胞) ,使外源基因与动物本身的 基因组整合在一起 ,因而外源基因能随细胞的分裂而增殖 ,并能稳定地遗传给下一代的一类动物 。1982 年 , R. D. Palmiter 等科学 家 将 金 属 硫 蛋 白 基 因 的 启动子和大白鼠生长激素基因拼接成融合基因 ,把这种基因 导入小白鼠的受精卵 ,再将这一受精卵移植到一借腹怀孕的 母鼠体内 ,生下来的小鼠比正常小鼠体格大一倍 ,称为“巨 鼠”。这项研究成果发表在英国权威科学杂志自然上 ,引通过药审 、直到上市 ,约需 1015 年 。如果利用转基因动物乳腺生物反应器 ,新药生产的周期为 5 年左右 。如以转基 因动物研制的周期计算 ,转基因羊从外源基因显微注射到泌乳的周期 是 18 个 月 , 而 转 基 因 牛 也 只 要 25 29 个 月 ( 表1) 。在经济效益方面 ,应用转基因动物 (家畜) 乳腺生物反 应器技术来制造基因药物也是一种可以获取巨额经济利润 的新型产业 。如荷兰的 Gen Pharm 公司用转基因牛生产乳 铁蛋白 ,预计每年从牛奶生产出来营养奶粉的销售额是 50情况 。期 ,国际上已成立了数十家转基因动物公司 ,转基因和猪的成功实例有 10 多种 ,生产出贵重的药用蛋白抗胰蛋白酶 、乳铁蛋白 (L actoferrin) 、人血清白蛋白 、因子 IX、人 凝 血 因 子 、抗 凝 血 酶 、胶 原 、血 纤 蛋L At PA 、蛋白质 C 、t PA 等6 ,7 。一些由转基因家畜乳离的药物蛋白正用于临床试验 。 利用转基因动物2乳腺生物反应器生产药物在伦其商品化方面已不存在任何障碍 ,虽然目前通过转基2乳腺生物反应器生产的药物或珍贵蛋白尚未形成产预期到本世纪末 、21 世纪初它们就会鼎足于国际市场基因动物的产业成为最具有高额利润的新型产业 。如此 ,转基因动物的研究和开发已呈现一定的加速状争也日趋剧烈 ,欧美一些发达国家的政府和大型制药相投入巨资资助转基因动物2乳腺生物反应器的研究 荷兰政府向培育出世界上第一头转基因牛的金发马 次投资就是 1500 万美元 ,美国的 Genzyme 公司向下图 1 基因药物三种生产方式的比较转基因动物的研制时间及生产性能比较表 1基因动物研究中心一次投资就是 500 万美元用于建造在我国 ,施履吉院士早在 80 年代初就提出乳腺应器的构想 ,并与他的合作者一起成功地获得了表达 毒表面抗原的转基因兔 ,为通过转基因动物的途径获药品打下了基础 。目前 ,我国在转基因动物的研究领获得了转基因小鼠 、转基因鱼以及转基因猪 、转基因羊因鸡等具有快速生长能力或有抗病能力的家畜 、家禽90 年代 ,国家“863”高技术计划已将转基因羊2乳腺生器的研究列入重大项目 , 并与地方政府 ( 如上海市) 合 ,积极支持我国的科学家进行转基因羊的研究开发 欣喜的是 ,笔者作为上海医学遗传研究所该课题负责 旦大学遗传所合作 ,于 1996 年 10 月在上海奉新动物 (位于上海奉贤县) 成功研制出 5 头有目的基因整合 因羊 (3 头公羊 2 头母羊) ,其中一头母羊已于 1997产下小羊羔 ,进入泌乳期 ,其乳汁中有活性的人凝血的表达 ,这种凝血因子是治疗血友病乙的珍贵药物8 医学遗传研究所黄淑帧教授等还建立了一条挑选整 源基因的胚胎进行移植的转基因羊技术路线 ,使转基 成功率明显提高 。应用这条技术路线 ,今年 2 月 ,该 得了一头携带有人血清白蛋白基因的转基因试管牛今年 3 月 ,中国工程院在上海举办了以转基因 医药产业为主题的医学科学前沿学术讨论会 ,10 多出席了会议 。与会代表一致认为转基因动物研究是表 2美国对一些常用的血浆蛋白的市场估计据国外经济学家预期 ,大约 10 年后 ,转基因动物生产的药品就会鼎足于世界市场 。那时 ,单是药物的销售额就超过250 亿美元 (还不包括营养蛋白和其他产品) ,从而使转基因 动物2乳腺生物 反 应 器 产 业 成 为 最 具 有 高 额 利 润 的 新 型 工 业 。综上所述 ,利用转基因动物2乳腺生物反应器来生产药物和贵重蛋白 ,具有极大的潜力和广阔的前景 ,理所当然地 成为当 今 生 物 技 术 研 究 开 发 领 域 最 具 生 命 力 的 热 点 之项目药物凝血凝血纤维因子 8 因子 9 抗凝血酶 蛋白原 白蛋白需要量 :公斤/ 年0 . 3 4 21 150 315 吨价格 :美元/ 克290 万4 万0 . 7 万0 . 1 万 3 . 56 元市场 :美元/ 年8 . 7 亿1 . 6 亿1 . 5 亿1 . 5 亿 11 . 2 亿鼠兔猪山羊绵羊奶牛每头动物年产奶量 ( 升)0 . 025025040050010000生产 10 公斤药物蛋 白 质 所 需 动 物 头 数 ( 按 1 克/ 升奶计算)5 . 8 10 52004025201从 外 源 基 因 注 射 到 转 基 因 动 物 第 一 次 泌乳所需时间14 周17 周12 月18 月18 月2529 月4 Bo rdioli KR , Wall RJ . Transgenic Livestock . Agricult ural Biotechnol2ogy. New Yo r k : Marcel Dekker , Inc . 1998 ,4534715 Palmiter RD , Brinster RL , Hammer R E , et al . Dramatic growt h of mice t hat develop f ro m eggs microinjected wit h metallot hio nein2growt h ho r mo ne f usio n genes. Nat ure ,1982 ,300 :6116156 Pale yanda R K , Velander WH ,L ee T K , et al . Transgenic Pigs Pro2duce Functio nal Human Facto r in Milk . Nat ure Biotechnology ,1997 ,15 :9719757 Wall RJ , Kerr D E , Do ndioli KP. Trans genic Dairy Cat tle : GeneticEngineering o n a L arge Scale . J Dairy Sci ,1997 ,80 :221322248 黄淑帧 ,张克忠 ,黄英等 1 乳汁中分泌有活性的人凝血因子 的 转基因羊的研制 1 科学通报 11998 ,43 :783784的产业化问题 ,使我国的转基因药物在 21 世纪的生物医药产业革命中占有一席之地 。参考文献1 Krimpenfo rt P. , Rademakers A. , Eyesto ne W. ,et al . Generatio n of Transgenic Dairy Cat tle U singin vit ro Embryo Pro ductio n . Bio/ Technology ,1991 ,9 :8448472 Wri ght G. ,Carver A. , Cot to m D. , et al . 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M ore2 ove r , t ra ns genic l i vest ock ca uses less pol l u t ion a n d m ake m ore p rof i ts t ha n t ra di t ion al p ha r m aceu t ical f act o2ries , t he ref ore , re p resen t i n g a n i deal rou te f or t he p rod uct ion of recom bi n a n t p rotei ns .Key words : t ra ns genic a ni m als , bio2tech nology , p ha r m aceu t ical i n d ust ry(责任编辑 : 曙光)空气污染与人体健康嗽就诊的患者增加了 1112 % ,因眼部疾病就诊的患者增加了 10 % 。参加此项研究的医生强调指出 ,从调查结果看 ,并非空 气污染指数严重超标时才对人体造成危害 ,实际上在空气污 染指数达到全年平均值时就已经影响了人体健康 。据悉 ,法国有关方面曾多次对空气污染与死亡率和住院 率的关系进行过调查研究 ,但对空气污染与就诊患者数量之 间的关系进行调查研究还是第一次 。(新华社供本刊稿)新华社巴黎消息 :通过对全年空气污染与就诊患者人数之间的关系进行研究 ,法国专家认为 ,空气污染促使因呼吸 道疾病和眼部疾病而就诊的患者大幅度增加 。为深入研究空气质量与人体健康之间的关系 ,法国阿尔 萨斯地区 22 名医生组成了健康咨询调查网 。他们将全年空 气最好的 90 天中和空气污染最严重的 90 天中接待的患者 进行了比较 ,结果发现 ,在空气污染最严重的 90 天中因鼻部 疾病就诊的患者 ,比空气最好的 90 天中增加了 714 % ,因咳国外短讯