距离基因工程动物第一次被报道已经过去了三十年，在这三十年里，世界人口从50亿增加到70亿。同时，人们日常饮食中蛋白质需求也有所增加，这给食品供应链带来巨大压力。面对食品安全的挑战，人们提出了多种方案并进行了科学地研究。其中，遗传学在优良家畜选择方面发挥着重要作用，而基因工程技术是遗传学家常用的技术之一。在这篇文章里，我们聚焦基因工程改造产奶动物，并讨论了精准育种的新技术。这些新技术能有效提高我们社会的农业生产力，同时它们应该得到合理的评价。
奶是什么？
奶是世界上主要的蛋白来源之一。从哺乳动物新生儿的角度来看，奶是它们生长和生存所必需的能源。对奶农来说，奶可以帮助他们维持生计，而食品生产者可以利用奶生产出很多奶制品。
中国、美国和印度的奶产量占世界的三分之一。有些国家，奶是主要的出口商品，比如新西兰。产奶的家养动物有很多，比如奶牛、水牛、山羊、骆驼、牦牛等。仅2013年牛奶的产量就达7亿吨，超过60亿人口消费奶制品。同时，世界上还有很多人由于过敏症状和乳糖不耐受不能喝牛奶。在高产奶牛群中，我们面临同时兼顾着产奶量、繁殖性能、抗病性和动物福利方面的挑战。提高奶品质的途径有很多，这里主要讨论基因工程技术的方法。
“基因工程”奶简史
二十世纪70年代末期，第一例基因工程改造的哺乳动物出现，人们在看到农业发展潜力的同时，走向了两条不同的科研道路。一条道路是通过转入生长激素基因来改变动物的生长潜力。现在仍有很多研究者积极地参与到这项研究中，主要围绕myostatin（MSTN）基因进行，致力于改变家畜的肌肉生长速度。
另一条道路是改变奶成分，最早出现的是表达β-乳球蛋白的小鼠（小鼠正常情况下不能产生这种蛋白）。这项研究证明在不产生有害表型的前提下，基因工程能有效改变奶中的成分。之后家畜作为bioreactors（生物反应器）生产医药蛋白就成为了科学研究的热点。
世界上第一例动物生物反应器的获得使用了将转基因DNA直接注射到受精卵内的原核注射技术。但是，原核注射效率低下，这极大地促进了体细胞核移植或克隆技术的发展。20年前“多莉”羊的出生让这项技术名声大振。
在改变奶成分研究的前十年里，研究者普遍采用的是将基因插入到基因组内的手段，在后二十年里，研究者使用了多种转基因新技术对奶中的成分进行改造。
提高奶中蛋白水平
奶中含有丰富的蛋白，但主要是酪蛋白家族和乳清蛋白。通过提高牛奶中的β-酪蛋白和Κ-酪蛋白的含量，可以改善牛奶的热稳定性和加工工艺。在2003年，新西兰的科研团队通过对奶牛转入β-酪蛋白和Κ-酪蛋白基因，使牛奶中β-酪蛋白和Κ-酪蛋白含量增加了接近一倍。
科研工作者曾在1998年获得了能表达牛α-乳白蛋白的转基因猪。这些转基因猪在泌乳初期，乳汁中牛α-乳白蛋白的浓度接近1mg/ml。但是随着泌乳进行，其表达量逐渐降低。同时，转基因猪的乳糖水平和泌乳量均升高。
2003年的研究表明，过表达酪蛋白的奶牛，牛奶中的总蛋白含量反而降低。这与1995年的一项研究结果相似，过表达β-乳球蛋白的小鼠体内酪蛋白水平降低，研究者认为乳汁中蛋白总量有一定的“上限”，至少在一些转基因小鼠中是这样。这种“上限”对蛋白质生产的影响仍需进一步的研究。
溶菌酶具有抗菌和调节炎症反应的作用。研究者们在2006年获得了能生产人溶菌酶的转基因动物，并且在乳汁中总组分没有改变的前提下，人溶菌酶浓度接近人乳汁中的水平。最新的研究结果表明，富含溶菌酶的乳汁能解决仔猪的腹泻问题，改善仔猪的肠道和机体健康（2013年和2014年）。这些研究结果表明我们有可能解决由埃希氏菌引起的人腹泻问题。
乳腺中的RNAi研究
RNA干扰（RNAi）是一种使编码蛋白质的RNA失活的基因工程技术。2012年，研究者分别设计了能特异性结合编码绵羊和牛β-乳球蛋白RNA的microRNA。他们首先证明了microRNA能下调转基因小鼠（表达绵羊β-乳球蛋白）乳中的β-乳球蛋白含量。接着，他们获得了转入microRNA的奶牛，这些奶牛的乳汁中几乎检测不到β-乳球蛋白。但是牛奶中其他主要的乳蛋白水平明显升高，补偿了β-乳球蛋白的缺失。这项成果对于那些分泌大量β-乳球蛋白的动物具有重要意义。
基因敲除
除了基因插入，还可以通过基因敲除实现奶成分的改变。世界上首次通过敲除乳蛋白基因实现乳成分改变的是罗斯林研究院的Satish Kumar（1994年）。研究者通过在小鼠胚胎干细胞中靶向敲除基因形成β-酪蛋白缺失小鼠。利用相同的方法，罗斯林研究院的其他研究者获得了α-酪蛋白缺失小鼠。这些小鼠除了α-酪蛋白缺失，其他酪蛋白水平和乳清酸蛋白均降低，这表明α-酪蛋白的缺失会影响乳腺细胞分泌其他乳蛋白。而Κ-酪蛋白基因敲除小鼠，其他酪蛋白的分泌不受影响。此外，研究表明α-酪蛋白、β-酪蛋白和Κ-酪蛋白缺失均会造成幼崽的生长变慢，体重下降。
基因编辑技术
我们正走向基因编辑的新时代。基因编辑能精确有效地改变家畜基因，例如DNA缺失或插入，DNA碱基对的改变，是最可能实现基因工程家畜产品从实验室进入农场再到我们餐桌的技术。
科学家们的基因编辑工具包括锌指核酸酶（ZFN）、TALEN和CRISPR/Cas9系统。CRISPR/Cas9技术与ZFN和TALEN技术的分子机制不同。后两者通过将DNA结合蛋白与核酸酶融合，靶向定位不同的DNA序列，实现特异性切割。而CRISPR/Cas9通过短引导RNA和目标序列之间的碱基配对，再利用核酸酶（Cas9蛋白）实现特异性切割。CRISPR/Cas9可能是当前最简便的基因编辑工具，已经被科学家们广泛应用。
细胞内的DNA断裂修复机制包括非同源末端连接（NHEJ）和非同源定向修复（HDR）。据此研究者可以实现基因上任意形式的改变。
基因编辑机制示意图
未来与机遇
通过基因编辑技术，研究者可以实现奶中成分的改变，例如生产无过敏原奶和“抗体”奶，改变奶的物理性质进而有利于各种奶制品的生产；提高奶中的蛋白水平等。
食品安全是我们面临的共同挑战，欧盟、美国等国家已制定指导基因工程家畜产品进入市场的相关政策。在这个过程中，各利益相关方需要进行定期的讨论和对话。这就要求人们开放思想，能够接受基于科学依据的观点。研究者们需要力证基因工程技术对动物福利和消费者的益处，同时明辨其潜在的风险，消费者自会做出选择。
基因工程奶的发展方向
（图注：有益于健康：家畜后代、消费者；奶制品：延长保质期、去除过敏原、增加蛋白量、包含不同的蛋白；生物反应器：抗体、治疗）
参考文献：《Genetically engineering milk》，Journal of Dairy Research (2016) 83 3–11.
