转基因动物与生物医药产业，本文主要内容关键词为：转基因论文,医药产业论文,动物论文,生物论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
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置。原因至少有二：一是生命科学的发展促进了其他学科的发展；二是生命科学的产业将推进整个世纪经济的发展。生命科学与国计民生关系极大，如医学和药物学是我们健康的有力保障，农牧生物学则可以极大地提高农业和畜牧业产品的数量和质量，为人们提供不竭的衣食之源。利用转基因动物技术，我们既可以加快作物和家畜品种的改良速度，提高米、麦、肉、奶、蛋等食物的品质，又可以生产珍贵的药用蛋白，为遗传病患者造福。可以说，转基因动物技术对于人们千百年来所追求的丰衣足食、延年益寿两大目标都将作出巨大贡献。
作为一门从诞生到现在只有十几年历史的生物高新技术，转基因动物技术既具有深远的理论价值，又具有重大的应用价值，因而成为近年来生物工程领域研究的热点之一。这里我们主要就通过转基因动物技术来生产珍贵的药用蛋白作一介绍。
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段。最早期是天然药物，如中草药，从中提取我们所需要的成分，或加工成中成药，这是第一步。但人类并不满足于此，以后通过化学方法合成新的药物。合成的药物有些是天然没有的，有些是对天然药物的改进，使它更有效或更廉价。到了70年代后期，随着DNA重组技术的问世， 诞生了基因工程药物（简称基因药物）。高产值、高效率的基因药物的出现给药物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。
二、转基因动物——乳腺生物反应器
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，引起轰动，被认为是遗传学研究上具有里程碑意义的工作。
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800～5000美元，而利用转基因动物只需0.02～0.5美元。
图1 基因药物三种生产方式的比较
在药物开发周期方面，目前一种新药从它的研制开发、通过药审、直到上市，约需10～15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）。
表1 转基因动物的研制时间及生产性能比较
鼠 兔猪
山羊 绵羊
奶牛
每头动物年产奶量(升)0.02 50
250
400
500
10000
生产10公斤药物蛋白质所
需动物头数(按1克/升奶 5.8×10[5] 200
40 25
20 1
从外源基因注射到转基因 14周
17周
12月 18月 18月 25～29月
动物第一次泌乳所需时间
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GenPharm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50亿美元。英国罗斯林研究所研制成功的转基因羊，其乳汁中含有a[,1]—抗胰蛋白酶（a[,1]-antitrypsin）可治疗肺气肿病（一种因体内缺乏该蛋白酶而导致的遗传病）。这种病在北美比较常见，病人以前只能依赖于注射人的a[,1]—抗胰蛋白酶做替代疗法， 价格昂贵，而现在用转基因羊来生产，每升这种羊奶可售6000美元。表（ 2）列出美国对几种转基因血浆蛋白的需求情况。
表2 美国对一些常用的血浆蛋白的市场估计
药物
项目凝血因子8 凝血因子9 抗凝血酶Ⅲ 纤维蛋白原 白蛋白
需要量: 0.3 4 21
150
315吨
价格:
290万 4万0.7万
0.1万 3.56元
市场:
8.7亿 1.6亿 1.5亿1.5亿 11.2亿
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—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—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一[3.4]。
四、国内外乳腺生物反应器研究开发的现状
自1982年Palmitar等[5] 首先通过转基因动物技术获得“巨鼠”以来，转基因动物的研究发展迅速，随着遗传学、基因工程、胚胎工程等多学科的发展和相互渗透，目前以显微注射为主要技术手段的转基因技术已渐趋成熟，胚胎移植技术也有了明显的提高，同时在深入研究动物乳腺结构和功能的特点以及乳汁分泌的调节等方面积累了相当的经验，越来越多的科学家已开始转向转基因动物的研究。到90年代中期，国际上已成立了数十家转基因动物公司，转基因牛、绵羊和猪的成功实例有10 多种，生产出贵重的药用蛋白，如 a[,1]—抗胰蛋白酶、 乳铁蛋白（Lactoferrin）、人血清白蛋白、人凝血因子Ⅸ、人凝血因子Ⅷ、 抗凝血酶Ⅲ、胶原、血纤蛋白原、LAtPA、蛋白质C、tPA等[6.7]。一些由转基因家畜乳汁中分离的药物蛋白正用于临床试验。
利用转基因动物—乳腺生物反应器生产药物在伦理学及其商品化方面已不存在任何障碍，虽然目前通过转基因动物—乳腺生物反应器生产的药物或珍贵蛋白尚未形成产业，但预期到本世纪末、21世纪初它们就会鼎足于国际市场，使转基因动物的产业成为最具有高额利润的新型产业。正因为如此，转基因动物的研究和开发已呈现一定的加速状态，竞争也日趋剧烈，欧美一些发达国家的政府和大型制药企业竞相投入巨资资助转基因动物—乳腺生物反应器的研究。例如荷兰政府向培育出世界上第一头转基因牛的金发马公司首次投资就是1500 万美元，
美国的Genzyme公司向下属的转基因动物研究中心一次投资就是500万美元用于建造羊舍。
在我国，施履吉院士早在80年代初就提出乳腺生物反应器的构想，并与他的合作者一起成功地获得了表达乙肝病毒表面抗原的转基因兔，为通过转基因动物的途径获得珍贵药品打下了基础。目前，我国在转基因动物的研究领域，已获得了转基因小鼠、转基因鱼以及转基因猪、转基因羊、转基因鸡等具有快速生长能力或有抗病能力的家畜、家禽种系。90年代，国家“863 ”高技术计划已将转基因羊—乳腺生物反应器的研究列入重大项目，并与地方政府（如上海市）密切配合，积极支持我国的科学家进行转基因羊的研究开发。令人欣喜的是，笔者作为上海医学遗传研究所该课题负责人与复旦大学遗传所合作，于1996年10月在上海奉新动物实验场（位于上海奉贤县）成功研制出5 头有目的基因整合的转基因羊（3头公羊2头母羊），其中一头母羊已于1997年9 月产下小羊羔，进入泌乳期，其乳汁中有活性的人凝血因子Ⅸ的表达，这种凝血因子是治疗血友病乙的珍贵药物[8]。 上海医学遗传研究所黄淑帧教授等还建立了一条挑选整合了外源基因的胚胎进行移植的转基因羊技术路线，使转基因羊的成功率明显提高。应用这条技术路线，今年2月， 该所又获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《转基因动物与医药产业》为主题的医学科学前沿学术讨论会，10多位院士出席了会议。与会代表一致认为转基因动物研究是生物医学科学前沿，具有重大的理论意义；对医学研究、动物育种，特别是医药产业具有巨大的经济价值。
转基因动物—乳腺生物反应器是21世纪生物医药产业的一种新的生产模式。处在世纪之交，我国政府和大型制药企业应当抓住有利时机，增加投资强度，加快我国转基因动物—乳腺生物反应器的研究速度，特别是注意生物高新技术的产业化问题，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。
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