动物生物技术

**章 绪论 学习要点：掌握动物生物技术的概念；了解动物生物技术的主要研究领域；了解动物生物技术的发展历程及其应用；了解动物生物技术的发展趋势。 **节 动物生物技术概述 一、动物生物技术的概念 生物技术(Biotechnology)是指人们以现代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段和其他基础学科的科学原理，按照预先的设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产出所需产品或达到某种目的的综合性新兴学科。先进的工程技术是指基因工程、细胞工程、发酵工程、酶工程和蛋白质工程等新技术；改造生物体是指获得优良品质的动物、植物或微生物品系；生物原料则指生物体的某一部分或生物生长过程中产生的可被利用物质，如淀粉、糖蜜、纤维素等有机物，也包括一些无机物，甚至某些矿石；为人类生产出所需产品包括粮食、医药、食品、化工原料、能源、金属等；达到某种目的则包括疾病的预防、诊断与治疗，食品的检验，环境污染的检测与治理等。 动物生物技术是以动物为主要研究对象，采用基因工程、细胞工程、酶工程、蛋白质工程、发酵(微生物)工程等现代生物技术对动物品质和性状进行改造的生物技术，包括获得新型生物制品或饲料添加剂，培育高产、优质、抗逆的畜禽品种；是生物技术的重要组成部分。 二、动物生物技术的主要研究领域 动物生物技术作为生物技术的一大组成部分，其主要研究领域包括动物基因工程、动物细胞工程、动物胚胎工程、酶工程和蛋白质工程等。 (一)动物基因工程 基因工程是在分子生物学和分子遗传学综合发展的基础上于20世纪70年代诞生的一门崭新的生物技术。动物基因工程是在分子水平上对基因进行操作的复杂技术，是将外源基因通过体外重组后导入动物受体细胞内，使该基因能在受体细胞内复制、转录、翻译表达的操作。它是用人为的方法将所需要的某一供体动物的遗传物质——DNA大分子提取出来，在离体条件下用适当的工具酶进行切割后，把它与作为载体的DNA分子连接起来，然后与载体一起导入某一更易生长、繁殖的受体细胞中，使外源物质在其中“安家落户”，进行正常的复制和表达，从而获得新物种或新产品的一种新技术。动物基因工程使人们克服了动物物种间的遗传障碍，能够定向培养或改造品种，以满足人类需求。 (二)动物细胞工程 动物细胞工程是根据细胞生物学及工程学原理，在体外条件下进行培养、繁殖，或定向改变动物细胞内的遗传物质，从而获得新型生物或特种细胞产品的一门技术。常用的技术手段包括动物细胞培养、动物细胞融合、单克隆抗体、胚胎移植和核移植等。这一技术在生物制药的研究和应用中起关键作用，目前全世界生物技术药物中使用动物细胞工程生产的已超过80%，如蛋白质、单克隆抗体、疫苗等。 (三)动物胚胎工程 动物胚胎工程是用人工方法对动物卵母细胞或胚胎进行改造的技术，包含胚胎移植、排卵控制、体外受精、胚胎性别控制、胚胎分割、胚胎冷冻和胚胎嵌合等。目前，胚胎工程在遗传学、医学、发育生物学和动物育种学上已经得到广泛应用。但是，作为近代开展的生物技术研究，胚胎工程的基础理论还比较薄弱。例如，基因组的重新编程机制尚不清楚；研究手段、技术操作、仪器设备不完善，不配套；应用效果受较多因素影响，导致性能不够稳定，如克隆出的家畜存在生活力不强等问题。所以，目前胚胎工程仍然以实验室研究为主，全面应用于生产还有漫长的路要走。尽管如此，随着科技进步，21世纪胚胎生物工程技术将是*活跃、*具有实践应用价值的领域之一，将给人类的医药卫生、家畜改良等领域带来革命性变化，特别是在药物生产和供人类移植所用器官的生产等方面，其经济效益和社会效益是难以估量的，转基因动物反应器将主导21世纪的生物制药业。 (四)酶工程 酶工程是指在一定的生物反应器内，利用酶的催化作用，将相应的原料转化成有用物质的技术，是将酶学理论与化工技术结合而形成的新技术。酶工程包括自然酶的开发及应用、固定化酶、固定化细胞、多酶反应器(生物反应器)、酶传感器等。酶是细胞产生的有催化活性的蛋白质或多肽，它参与农产品加工过程中的各种化学变化。酶的作用具有专一性强、催化效率高、作用条件温和等特点，因此，酶的应用不仅可增加产量、提高质量、降低原材料和能源消耗、改善劳动条件、降低成本，而且可以生产出用其他方法难以得到的产品，促进新产品、新技术和新工艺迅速发展。随着现代生物技术的兴起，酶工程技术应运而生，并在制药业、食品工业和农产品加工业中显示出强大的生命力。 (五)蛋白质工程 蛋白质工程是在基因工程冲击下应运而生的。它是以蛋白质的结构及其功能为基础，通过基因修饰和基因合成对现存蛋白质加以改造，组建成新型蛋白质的现代生物技术。这种新型蛋白质必须更符合人类的需要，因此，有学者称，蛋白质工程是第二代基因工程。其基本实施目标是运用基因工程的DNA重组技术，将克隆后的基因编码加以改造，或者人工组装成新的基因，再将上述基因通过载体引入挑选的宿主系统内进行表达，从而产生符合人类设计需要的“突变型”蛋白质分子。这种蛋白质分子只有表达了人类需要的性状，才算是实现了蛋白质工程的目标。 三、动物生物技术涉及的学科 动物生物技术是所有动物科学领域中包含范围*广泛的学科之一，它包括动物分子生物学、动物细胞生物学、动物生理学、动物免疫学、动物生物化学、遗传学等几乎所有的动物生物科学的次级学科，并以这些学科为支撑，结合了诸如物理、化学、数学、计算机、信息学等生物学领域之外的尖端基础学科，形成了一门多学科相互渗透的综合性学科。其中，又以生命科学领域的重大发现和技术的突破为基础。譬如，没有细胞培养和显微技术就没有克隆动物的产生和应用；没有DNA双螺旋结构及DNA半保留复制机制的阐明，没有遗传密码的破译等重大理论的解析，就没有基因工程技术的应运而生。现代高端微电子学和计算机技术与动物生物技术结合并相互渗透，使生物技术深入到分子水平，以前所未有的速度向前发展并被广泛应用。 第二节 动物生物技术发展历程及其应用 一、动物生物技术的发展历程 19世纪近代生物学的三项伟大科学成就——细胞学说、达尔文生物进化论和孟德尔遗传定律，为生物技术的发展奠定了重要的理论基础。1944年，Avery等阐明了DNA是遗传信息的携带者；1953年，Watson和Crick提出了DNA的双螺旋结构模型，阐明了DNA的半保留复制模式，从而开辟了分子生物学研究的新纪元。由于一切生命活动都是由包括酶和非酶蛋白质行使其功能的结果，所以遗传信息与蛋白质的关系就成了研究生命活动的关键问题。1961年，Khorana和Nirenberg破译了遗传密码，揭开了DNA编码的遗传信息如何传递给蛋白质这一秘密。基于上述基础理论的发展，1972年Berg首先实现了DNA体外重组，标志着生物技术的核心技术——基因工程的开始。它向人们提供了一种全新的技术手段，使人们可以按照意愿在试管内切割DNA、分离基因并经重组后导入其他生物或细胞，用于改造农作物或畜牧品种；也可导入细菌这种简单的生物体，由细菌生产大量有用的蛋白质，作为药物或疫苗；也可直接导入人体内进行基因治疗。20世纪80年代以来，以生物技术等高技术为中心的全球科技革命浪潮对世界生产力的发展、人类创造力的发挥产生了巨大影响，在国际经济、社会、文化、政治、军事等各方面引起了深刻的变革，生物技术及其产业已成为国际竞争的焦点。由于高等动物的复杂性，动物生物技术较微生物和植物生物技术起步晚，但随着现代生物技术的发展，动物生物技术已经成为不可或缺乃至占据主导地位的重要部分。表1-1列出了近80年来生物技术发展史上的重大事件，其中除了与青霉素、农作物等相关的生物技术外，其余均与动物生物技术相关。 表1-1 近50年生物技术发展史上的重大事件 1981年**只转基因动物(小鼠)的研究成功，标志着动物生物技术的诞生。动物转基因技术是将外源基因移入动物细胞并整合到基因组中，从而使其得以表达。自从Jaenisch和Mintz(1974)首次利用反转录病毒感染胚胎的方法进行动物转基因以来，动物转基因技术得到不断地完善和发展。利用反转录病毒介导、显微注射、电穿孔、脂质体介导、精子载体等转基因方法，制备了小鼠、大鼠、兔、猪、绵羊、山羊、鸡、蛙、鱼类等多种转基因动物。而近几年来动物转基因的方法和内涵又有了新进展，包括通过简便的性腺注射介导的转基因、转入RNA干扰基因、基因打靶结合克隆的定点整合转基因和基因的条件表达转基因技术等。 动物生物反应器是20世纪90年代初期发展起来的一种高效生产活性功能蛋白的生物技术。据预测，2010年世界上动物乳腺生物反应器的产值将达到500亿美元以上。自从1987年美国科学家Gordon等首次利用小鼠乳腺生产出人类医用蛋白质——tPA之后，生物反应器就立即引起了科学界和企业界的巨大关注。大量的风险资金开始投向动物生物反应器的开发，一批以生物反应器作为技术支柱的新型制药公司也纷纷建立起来。根据《2003年中国生物技术发展报告》，我国的动物体细胞克隆技术得到了迅速发展，体细胞克隆山羊、奶牛均已获得成功，建立在动物克隆技术基础上的新型转基因动物技术平台已经基本建成。中国农业大学于2002年4月获得了我国**头体细胞克隆黄牛——红系冀南黄牛。2002年在中国科学院遗传与发育生物学研究所的主持下，相继诞生了4只携带医用蛋白的转基因体细胞克隆奶山羊。我国转基因动物生产也打下了较为坚实的基础。其中，转基因鱼进入可控制性生产阶段。中国科学家培育出的三倍体鱼湘云鲫(鲤)已经推广至全国23个省和直辖市，中试期间共生产湘云鲫(鲤)鱼苗1.9亿尾和复花鱼种3580万尾，获纯利457万元。我国已经开发出了幼畜腹泻基因工程疫苗、口蹄疫基因工程疫苗、马立克氏病疫苗、鸡传染性喉支气管炎与痘病疫苗、禽流感痘病毒载体疫苗以及猪伪狂犬病基因缺失疫苗等。上海生物工程研究中心开发的幼畜腹泻基因工程疫苗K88和K99，已经完成了中试研究和大规模试验。复旦大学生命科学学院和上海农业科学院等单位研制的口蹄疫基因工程疫苗属中国首创。华中农业大学研制的伪狂犬病基因缺失疫苗已在生产中大量应用，极大地保障和促进了养猪业的健康发展。 二、动物生物技术的应用 (一)动物生物技术与畜禽遗传资源保护 畜禽遗传资源是生物多样性的重要组成部分，是满足未来不可预见需求的重要基因资源，也是畜禽品种改良的重要战略资源。保存畜禽遗传资源的目的是为了更好地开发和利用其优良性状。大多数畜禽遗传资源是由农业生产中的畜群和禽群来保持的，即猪、牛、禽等以活畜、活禽保存为主。采用生物技术保存畜禽遗传资源主要有以下两种途径：一是利用胚胎和生殖细胞的冷冻技术，进行静态保种；二是利用分子生物技术建立畜禽的基因组文库。通过生物技术可以保存畜禽优良品种的性状，保护濒临灭绝的动物。目前，许多发达国家已建有家畜冷冻精子库和胚胎库。利用生物技术可简化良种引进方法，胚胎移植与胚胎冷冻技术相结合，良种的引进可简化为冷冻胚胎的引进，不仅运输方便、检疫程序简单、成本低廉，而且后代对引种地生态环境的适应性和抗病力增强。 (二)动物生物技术在遗传育种中的应用随着现代生物技术的出现和各种分子生物学技术的应用，动物育种技术已开始从群体水平进入分子水平，即分子育种的时代。分子育种包括分子标记辅助选种和转基因育种等。与传统的育种方法相比，生物技术育种存在很多优势。首先利用它可以打破物种界限，突破亲缘关系的限制，培育出自然界和常规育种难以产生、具有特别优良性状的动物品种。这些优良性状表现为生长快、产量高、回报率好、抗病性强等特点。例如，Pinkert等在1978年用转基因技术法获得了8头可表达牛生长激素的转基因猪，这种猪体型大、日增重快、饲料转化率高。在动物选种中，对遗传力低的限性性状，以及性状度量昂贵和表型值早期难以度量的性状，采用标记辅助选择(MAS)，可提高选择的有