轉(zhuǎn)基因動物與生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)

1、中 國 工 程 院 院 士上海醫(yī)學(xué)遺傳研究所所長曾溢滔(上海醫(yī)學(xué)遺傳研究所 , 上海 200040)摘要 :通過轉(zhuǎn)基因動物的乳腺生產(chǎn)珍貴的藥用蛋白質(zhì) ,這對生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)界充滿誘惑力 。一方面 ,諸如牛 、羊等轉(zhuǎn)基因家畜生產(chǎn)的人重組蛋白質(zhì)是經(jīng)過轉(zhuǎn)錄后加工和修飾的 ,與人的蛋白 質(zhì)十分相似 ,因而具有高的生物活性 。另一方面 ,與傳統(tǒng)醫(yī)藥工業(yè)相比 ,轉(zhuǎn)基因動物污染少 、利潤高 ,因此是一個理想的重組蛋白生產(chǎn)方式 。關(guān)鍵詞 :轉(zhuǎn)基因動物生物技術(shù)醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)21 世紀(jì)將是生命科學(xué)突飛猛進的時代 ?？茖W(xué)史表明 ,一門學(xué)科的巨大進步往往是和 它本身存在的種種懸而未決的問題聯(lián)系在一 起的 。那么 ,遺傳學(xué)和發(fā)育

2、生物學(xué)在 21 世紀(jì) 將面臨哪些重大課題呢 ?21 世紀(jì)的遺 傳 學(xué) 面 臨 的 根 本 問 題 有 三個 :一是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ) ,即基因組問題 ,無 論人類基因組計劃 ,還是水稻基因組計劃 ,都 是要弄清其結(jié)構(gòu)和功能 ;二是個體發(fā)育問題 , 即從一套基因組 ,一個受精卵怎么能發(fā)育成 一個個體 ,由什么基因來調(diào)控和決定胚胎在什么時候發(fā)育成眼睛 ,什么時候發(fā)育成四肢 ,等等 ;三是系統(tǒng) 發(fā)育問題 ,即在分子水平上弄清為什么能從原始生物一直發(fā)展到復(fù)雜 、高等的人類 。上述第一個問題 ,隨著 21 世紀(jì)人類基因組計劃和人類 基因組后計劃的研究進展即可解決 ,但第二 、第三個問題也 許整個 21 世紀(jì)

3、都難以解決 。例如人的個 體 發(fā) 育 就 非 常 復(fù) 雜 。人體細(xì)胞內(nèi)的 10 萬個基因并不是同時開放的 ,而是發(fā) 育到某一階段會開放某些基因 ,同時關(guān)閉某些基因 ,這是非 常有序而巧妙的 。利用轉(zhuǎn)基因動物技術(shù) ,我們可以人為地有 目的地改變某一動物個體的基因組成 ,從而在生物個體水平 上 ,研究某一特定基因的生物學(xué)功能及其對生物個體發(fā)育乃 至系統(tǒng)發(fā)育的影響 ,這是探討上述第二 、第三個問題的一把鑰匙 。生命科學(xué)將在 21 世紀(jì)的人類 生 活 中 占 有 極 突 出 的 位發(fā)展 ;二是生命科學(xué)的產(chǎn)業(yè)將推進整經(jīng)濟的發(fā) 展 。生 命 科 學(xué) 與 國 計 民 生大 ,如醫(yī)學(xué)和藥物學(xué)是我們健康的有力農(nóng)

4、牧生物學(xué)則可以極大地提高農(nóng)業(yè)和產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量 ,為人們提供不竭 之源 。利用轉(zhuǎn)基因動物技術(shù) ,我們既 快作物和家畜品種的改良速度 ,提高 肉 、奶 、蛋等食物的品質(zhì) ,又可以生產(chǎn)藥用蛋白 ,為遺傳病患者造福 ?？梢哉f因動物技術(shù)對于人們千百年來所追求足食 、延年益壽兩大目標(biāo)都將作出巨大作為一門從誕生到現(xiàn)在只有十幾年歷史的生物術(shù) ,轉(zhuǎn)基因動物技術(shù)既具有深遠(yuǎn)的理論價值 ,又具有應(yīng)用價值 ,因而成為近年來生物工程領(lǐng)域研究的熱點這里我們主要就通過轉(zhuǎn)基因動物技術(shù)來生產(chǎn)珍貴的白作一介紹 。一 、生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的過去和現(xiàn)在生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展經(jīng)歷了三個不同的歷史階早期是天然藥物 ,如中草藥 ,從中提取我們所需要

5、的成加工成中成藥 ,這是第一步 。但人類并不滿足于此 ,過化學(xué)方法合成新的藥物 。合成的藥物有些是天然沒有些是對天然藥物的改進 ,使它更有效或更廉價 。年代后期 ,隨著 dna 重組技術(shù)的問世 ,誕生了基因工生產(chǎn)帶來了一場革命 ,推動了整個醫(yī)藥業(yè)的發(fā)展 ?；蛩幬锏陌l(fā)展也經(jīng)歷了三個階段 :其一是細(xì)菌基因工 程 ,即把目的基因通過適當(dāng)改建后導(dǎo)入大腸桿菌等工程 菌中 ,通過細(xì)菌等原核生物來表達(dá)目的基因 。目前上市的基因 工程藥物絕大多數(shù)都采用這一方法 。但是細(xì)菌基因工程有 兩大缺陷 :一是細(xì)菌本身是一種低等生物 ,我們把構(gòu)建好的 哺乳動物乃至人類的基因?qū)爰?xì)菌里 ,往往不能表達(dá) ; 二是 即使表達(dá)

6、了 ,產(chǎn)品往往沒有生物活性 ,必須經(jīng)過糖基化 、羧基 化等一系列修飾加工后才能成為有效的藥物 。這個過程是 相當(dāng)復(fù)雜的 ,成本和工藝上也有許多問題 ,因而限制了細(xì)菌基因工程的發(fā)展 。細(xì)菌基因工程的缺陷 ,使人們想到若把人或哺乳動物的 基因直接導(dǎo)入到哺乳動物的細(xì)胞株里 ,能否克服上述缺 陷 呢 ? 這就出現(xiàn)了第二階段的基因藥物 ,即細(xì)胞基因工程 。細(xì) 胞基因工程解決了兩個問題 : 第一 ,它能夠表達(dá)人或哺乳動 物的蛋白質(zhì) ;第二 ,哺乳動物細(xì)胞具備對蛋白質(zhì)進行修飾加 工的條件 。用這樣的方法可以生產(chǎn)出有生物活性的產(chǎn)品 ,如 用這種方法生產(chǎn)的人凝血因子 ix 就是一種代表性產(chǎn)品 。然 而細(xì)胞基因工

7、程也有不足之處 ,因為人或哺乳動物細(xì)胞培養(yǎng) 的條件相當(dāng)苛刻 ,成本太高 ,這樣就限制了細(xì)胞基因工程的發(fā)展 。由此人們又想到 ,是否可以將人們所需要的目的基因?qū)?入哺乳動物如鼠 、兔 、羊 、豬的體內(nèi) ,使這種目的基因在哺乳 動物體內(nèi)表達(dá) ,從而獲得目的基因的產(chǎn)品 。一個偉大的構(gòu)想 開始有了輪廓 ;即把人或哺乳動物的某種基因?qū)氲讲溉閯?物的受精卵里 ,若導(dǎo)入的基因與受精卵的染色體 dna 整合 在一起 ,細(xì)胞分裂時 ,染色體倍增 ,該基因也隨之倍增 ,每個 細(xì)胞里都帶有導(dǎo)入的基因 ,而且能穩(wěn)定地遺傳到下一代 。這 樣產(chǎn)生的一種新的個體 ,稱之為轉(zhuǎn)基因動物 。轉(zhuǎn)基因動物的 問世 ,為利用新的基因

8、工程手段獲得成本低 、活性高的基因藥物開辟了一條新的途徑 ,基因藥物也由此進入了第三發(fā)展 階段 。綜上所述可知 ,基因藥物的三個發(fā)展階段其表達(dá)系統(tǒng)的 層次不一樣 ,即從原核細(xì)胞 (細(xì)菌等) ,到真核細(xì)胞 (人或哺乳 動物細(xì)胞) ,再到個體 。轉(zhuǎn)基因動物是一種個體表達(dá)系統(tǒng) ,代表了當(dāng)今時代藥物生產(chǎn)的最新成就 ,也是最復(fù)雜 、最具有廣闊前景的生物表達(dá)系統(tǒng) 。人們很快就想到 ,假如我們?nèi)绶ㄅ谥?,把生長激素基因?qū)胴i的受精卵 ,小豬會長得比牛大 ,導(dǎo)入牛的受精卵 ,牛會 比大象還要大 。但是問題并不是那么簡單 ,在轉(zhuǎn)基因動物研究過程中 ,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)按照上述的做法 ,導(dǎo)入的生長激素基因在動物體內(nèi)表達(dá)的

9、部位往往和我們所期望的部位不一致 。于是出現(xiàn)了畸胎 、死產(chǎn)或者產(chǎn)下如巨頭 、肢端肥大癥等畸形生物 。因此 ,如何讓表達(dá)控制在某一特定部位 ,而不是隨機 表達(dá)在身體任意部位 ,就成了新的課題 。那么 ,表達(dá)在身體的哪一個部位最好呢 ? 這根據(jù)我們研 制轉(zhuǎn)基因動物的目的而不同 。就通過轉(zhuǎn)基因動物 ( 家畜) 來生產(chǎn)基因藥物而言 ,最理想的表達(dá)場所是乳腺 。因為乳腺是一個外分泌器官 ,乳汁不進入體內(nèi)循環(huán) ,不會影響到轉(zhuǎn)基因 動物本身的生理代謝反應(yīng) 。從轉(zhuǎn)基因動物的乳汁中獲取目 的基因產(chǎn)物 ,不但產(chǎn)量高 、易提純 ,而且表達(dá)的蛋白經(jīng)過充分 的修飾加工 ,具有穩(wěn)定的生物活性 。因此稱為“動物乳腺生 物反

10、應(yīng)器”。細(xì)菌基因工程需要很大的發(fā)酵車間 ,細(xì)胞基因 工程也需要很多昂貴的設(shè)備來培養(yǎng)細(xì)胞 。若用轉(zhuǎn)基因動物 , 就只需要飼養(yǎng)牛 、羊等家畜即可 。所以用轉(zhuǎn)基因牛 、羊等家 畜的乳腺表達(dá)人類所需蛋白基因 ,就相當(dāng)于建一座大型制藥廠 ,這種藥物工廠顯然具有投資少 、效益高 、無公害等優(yōu)點 。從生物學(xué)的觀點來看 ,生物機體對能量的利用和轉(zhuǎn)化效 率是當(dāng)今世界上任何機械裝置所望塵莫及的 ,因此通過轉(zhuǎn)基 因動物來生產(chǎn)藥物是迄今為止人們所能想象得出的最為有 效 、最為先進的系統(tǒng) 。三 、轉(zhuǎn)基因動物生產(chǎn)藥物的優(yōu)越性利用轉(zhuǎn)基因動物 ( 家畜) 乳腺生物反應(yīng)器來生產(chǎn)轉(zhuǎn)基因藥物是一種全新的生產(chǎn)模式 ,與以往的制藥技術(shù)

11、相比 ,具 有不可比擬的優(yōu)越性 。轉(zhuǎn)基因動物的乳腺可以源源不斷地 提供目的基因的產(chǎn)物 ( 藥物蛋白質(zhì)) ,不但產(chǎn)量高 ,而且表達(dá) 的產(chǎn)物已經(jīng)過充分修飾和加工 ,具有穩(wěn)定的生物活性 。作為 生物反應(yīng)器的轉(zhuǎn)基因動物又可無限繁殖 ,故具有成本低 ,周 期短和效益好的優(yōu)點 。以轉(zhuǎn)基因動物來生產(chǎn)目的產(chǎn)品 ,可極大地降低成本和投 資風(fēng)險 (圖 1) 。國外經(jīng)濟學(xué)家曾算過一筆帳 ,若用其它生產(chǎn)工藝 (如哺乳動物細(xì)胞培養(yǎng)方法) 來生產(chǎn) 1 克藥物蛋白質(zhì) ,成 本需 8005000 美元 ,而利用轉(zhuǎn)基因動物只需 0102015 美 元 。二 、轉(zhuǎn)基因動物 乳腺生物反應(yīng)器在藥物開發(fā)周期方面 ,目前一種新藥從它的研

12、制開發(fā) 、轉(zhuǎn)基因動物是指通過實驗方法 ,人工地把外源基因?qū)雱游锏氖芫?(或早期胚胎細(xì)胞) ,使外源基因與動物本身的 基因組整合在一起 ,因而外源基因能隨細(xì)胞的分裂而增殖 ,并能穩(wěn)定地遺傳給下一代的一類動物 。1982 年 , r. d. palmiter 等科學(xué) 家 將 金 屬 硫 蛋 白 基 因 的 啟動子和大白鼠生長激素基因拼接成融合基因 ,把這種基因 導(dǎo)入小白鼠的受精卵 ,再將這一受精卵移植到一借腹懷孕的 母鼠體內(nèi) ,生下來的小鼠比正常小鼠體格大一倍 ,稱為“巨 鼠”。這項研究成果發(fā)表在英國權(quán)威科學(xué)雜志自然上 ,引通過藥審 、直到上市 ,約需 1015 年 。如果利用轉(zhuǎn)基因動物乳腺生

13、物反應(yīng)器 ,新藥生產(chǎn)的周期為 5 年左右 。如以轉(zhuǎn)基 因動物研制的周期計算 ,轉(zhuǎn)基因羊從外源基因顯微注射到泌乳的周期 是 18 個 月 , 而 轉(zhuǎn) 基 因 牛 也 只 要 25 29 個 月 ( 表1) 。在經(jīng)濟效益方面 ,應(yīng)用轉(zhuǎn)基因動物 (家畜) 乳腺生物反 應(yīng)器技術(shù)來制造基因藥物也是一種可以獲取巨額經(jīng)濟利潤 的新型產(chǎn)業(yè) 。如荷蘭的 gen pharm 公司用轉(zhuǎn)基因牛生產(chǎn)乳 鐵蛋白 ,預(yù)計每年從牛奶生產(chǎn)出來營養(yǎng)奶粉的銷售額是 50情況 。期 ,國際上已成立了數(shù)十家轉(zhuǎn)基因動物公司 ,轉(zhuǎn)基因和豬的成功實例有 10 多種 ,生產(chǎn)出貴重的藥用蛋白抗胰蛋白酶 、乳鐵蛋白 (l actoferrin)

14、、人血清白蛋白 、因子 ix、人 凝 血 因 子 、抗 凝 血 酶 、膠 原 、血 纖 蛋l(fā) at pa 、蛋白質(zhì) c 、t pa 等6 ,7 。一些由轉(zhuǎn)基因家畜乳離的藥物蛋白正用于臨床試驗 。 利用轉(zhuǎn)基因動物2乳腺生物反應(yīng)器生產(chǎn)藥物在倫其商品化方面已不存在任何障礙 ,雖然目前通過轉(zhuǎn)基2乳腺生物反應(yīng)器生產(chǎn)的藥物或珍貴蛋白尚未形成產(chǎn)預(yù)期到本世紀(jì)末 、21 世紀(jì)初它們就會鼎足于國際市場基因動物的產(chǎn)業(yè)成為最具有高額利潤的新型產(chǎn)業(yè) 。如此 ,轉(zhuǎn)基因動物的研究和開發(fā)已呈現(xiàn)一定的加速狀爭也日趨劇烈 ,歐美一些發(fā)達(dá)國家的政府和大型制藥相投入巨資資助轉(zhuǎn)基因動物2乳腺生物反應(yīng)器的研究 荷蘭政府向培育出世界上第一

15、頭轉(zhuǎn)基因牛的金發(fā)馬 次投資就是 1500 萬美元 ,美國的 genzyme 公司向下圖 1 基因藥物三種生產(chǎn)方式的比較轉(zhuǎn)基因動物的研制時間及生產(chǎn)性能比較表 1基因動物研究中心一次投資就是 500 萬美元用于建造在我國 ,施履吉院士早在 80 年代初就提出乳腺應(yīng)器的構(gòu)想 ,并與他的合作者一起成功地獲得了表達(dá) 毒表面抗原的轉(zhuǎn)基因兔 ,為通過轉(zhuǎn)基因動物的途徑獲藥品打下了基礎(chǔ) 。目前 ,我國在轉(zhuǎn)基因動物的研究領(lǐng)獲得了轉(zhuǎn)基因小鼠 、轉(zhuǎn)基因魚以及轉(zhuǎn)基因豬 、轉(zhuǎn)基因羊因雞等具有快速生長能力或有抗病能力的家畜 、家禽90 年代 ,國家“863”高技術(shù)計劃已將轉(zhuǎn)基因羊2乳腺生器的研究列入重大項目 , 并與地方政

16、府 ( 如上海市) 合 ,積極支持我國的科學(xué)家進行轉(zhuǎn)基因羊的研究開發(fā) 欣喜的是 ,筆者作為上海醫(yī)學(xué)遺傳研究所該課題負(fù)責(zé) 旦大學(xué)遺傳所合作 ,于 1996 年 10 月在上海奉新動物 (位于上海奉賢縣) 成功研制出 5 頭有目的基因整合 因羊 (3 頭公羊 2 頭母羊) ,其中一頭母羊已于 1997產(chǎn)下小羊羔 ,進入泌乳期 ,其乳汁中有活性的人凝血的表達(dá) ,這種凝血因子是治療血友病乙的珍貴藥物8 醫(yī)學(xué)遺傳研究所黃淑幀教授等還建立了一條挑選整 源基因的胚胎進行移植的轉(zhuǎn)基因羊技術(shù)路線 ,使轉(zhuǎn)基 成功率明顯提高 。應(yīng)用這條技術(shù)路線 ,今年 2 月 ,該 得了一頭攜帶有人血清白蛋白基因的轉(zhuǎn)基因試管牛今年

17、 3 月 ,中國工程院在上海舉辦了以轉(zhuǎn)基因 醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)為主題的醫(yī)學(xué)科學(xué)前沿學(xué)術(shù)討論會 ,10 多出席了會議 。與會代表一致認(rèn)為轉(zhuǎn)基因動物研究是表 2美國對一些常用的血漿蛋白的市場估計據(jù)國外經(jīng)濟學(xué)家預(yù)期 ,大約 10 年后 ,轉(zhuǎn)基因動物生產(chǎn)的藥品就會鼎足于世界市場 。那時 ,單是藥物的銷售額就超過250 億美元 (還不包括營養(yǎng)蛋白和其他產(chǎn)品) ,從而使轉(zhuǎn)基因 動物2乳腺生物 反 應(yīng) 器 產(chǎn) 業(yè) 成 為 最 具 有 高 額 利 潤 的 新 型 工 業(yè) 。綜上所述 ,利用轉(zhuǎn)基因動物2乳腺生物反應(yīng)器來生產(chǎn)藥物和貴重蛋白 ,具有極大的潛力和廣闊的前景 ,理所當(dāng)然地 成為當(dāng) 今 生 物 技 術(shù) 研 究 開

18、發(fā) 領(lǐng) 域 最 具 生 命 力 的 熱 點 之項目藥物凝血凝血纖維因子 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 噸價格 :美元/ 克290 萬4 萬0 . 7 萬0 . 1 萬 3 . 56 元市場 :美元/ 年8 . 7 億1 . 6 億1 . 5 億1 . 5 億 11 . 2 億鼠兔豬山羊綿羊奶牛每頭動物年產(chǎn)奶量 ( 升)0 . 025025040050010000生產(chǎn) 10 公斤藥物蛋 白 質(zhì) 所 需 動 物 頭 數(shù) ( 按 1 克/ 升奶計算)5 . 8 10 52004025201從 外 源 基 因 注 射 到 轉(zhuǎn) 基 因 動

19、 物 第 一 次 泌乳所需時間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 h

20、io 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 : geneticengineer

21、ing o n a l arge scale . j dairy sci ,1997 ,80 :221322248 黃淑幀 ,張克忠 ,黃英等 1 乳汁中分泌有活性的人凝血因子 的 轉(zhuǎn)基因羊的研制 1 科學(xué)通報 11998 ,43 :783784的產(chǎn)業(yè)化問題 ,使我國的轉(zhuǎn)基因藥物在 21 世紀(jì)的生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)革命中占有一席之地 。參考文獻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

22、 n . bio/ technology ,1991 ,9 :8448472 wri ght g. ,carver a. , cot to m d. , et al . high l evel exp ressio n of active human alp ha212antit ryp sin in t he milk of transgenic sheep . bio/ technology ,1991 ,9 :8308343 ma ga ea , murray j d. mammary gland exp ressio n of transgenes and t he potential

23、 fo r altering t he properties of milk . bio/ technolo2gy ,1995 ,13 :14521457transgen ic an imal s and bio2tech/ pharmaceutical industrymember of the caezeng yita o( shangha i institute of medical genetics , shangha i 200040)abstract : t he p rod uct ion of v al u able p ha r m aceu t ical p rotei n

24、s v i a t he l act at i n g m a m m a ry gl a n ds of t ra ns2genic a ni m als is a novel m ea ns i n bio2tech/ p ha r m aceu t ical i n d ust ry . t he recom bi n a n t p rotei ns p rod uced byt ra ns genic l i vest ock , s uch as cow s , goats a n d s hee p , have hi gh biol ogical act i v i t y beca use t hey have been u n de r2 gone post2t ra nsl at ion al p rocessions a n d necess a ry m odi f icat ions w hich a re si m i l a r t o t hose i n