牛结核分支杆菌可以感染包括牛和人在内的多种哺乳动物，导致结核病，对全球公共卫生以及农业造成严重威胁。爱丁堡大学罗斯林研究所的动物生物技术学教授布鲁斯·怀特罗（Bruce Whitelaw）指出，牛结核分枝杆菌在世界很多国家都有流行，而常规做法是对受感染的牛进行选择性宰杀。而在英国，控制牛结核分枝杆菌传播的方法是宰杀獾，但这种做法饱受争议[1]。
英国政府通过扑杀獾来防止结核病的传播，但这种做法引起了一些争议。图片来源：theguardian.com
以往研究表明，小鼠SP110基因能够控制巨噬细胞内结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis）的生长，并诱导被感染细胞的凋亡。西北农林科技大学动物医学院张涌教授带领的团队发现，通过一种称为转录激活样效应因子核酸酶（Transcription activator-like effector nuclease，TALEN）调控的基因组修饰方法，将小鼠的SP110基因插入到牛的基因组中，得到的转基因牛表现出了对牛结核分支杆菌（Mycobacterium bovis）感染的抗性。研究论文[2]于3月2日发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。
利用TALEN调控进行的转基因方法，已经成功用于模式生物以及一些大型家畜，例如猪和牛。然而，该方法多用于基因敲除，而基因插入的例子比较少见，本研究也是目前为止首个利用TALEN调控向牛基因组插入基因的研究。与传统的锌指核酸酶（Zinc-finger nuclease, ZFN）基因组修饰技术相比，TALEN方法的应用面较广，成功率较高，毒性也比ZFN更小，且特异性更强。基于TALEN方法简易、高效、可靠的特性，它有可能在未来的基础研究中跟多地替代ZFN方法。
研究者分别从3头雌性荷兰乳牛身上获得了胚胎成纤维细胞。在成功将小鼠SP110基因插入牛的一条常染色体后，研究者们在体外构建了胚胎，然后将其植入小母牛的输卵管，最终诞生了23头转基因牛，其中13头活过了6个月。
研究者活过6个月的转基因牛，下标代表不同的胚胎成纤维细胞来源。图片来源：研究论文
通过对转基因牛外周血巨噬细胞以及皮肤、肌肉、乳汁和各主要器官的分析，确认SP110基因的表达仅限巨噬细胞。因此研究者提取了牛外周血中的巨噬细胞，在体外进行了实验，以检测基因SP110对牛结核分枝杆菌的抵抗能力。结果显示，与野生型牛相比，牛结核分枝杆菌在感染了转基因牛的巨噬细胞之后，增殖的速率较低。此外，被感染的两种巨噬细胞也表现出了不同的细胞死亡方式：野生型牛的巨噬细胞会发生坏死，而转基因牛的巨噬细胞则出现了凋亡。
接下来，研究者又使用支气管滴灌的方法，来探究转基因牛对牛结核分枝杆菌的抵抗力。在感染16周后，研究者对易受结核杆菌感染的器官和组织进行了分析，发现转基因牛的病理学损伤明显减少，组织和器官中的细菌含量也明显降低。此外，在分别让转基因牛和野生型牛与患有结核病的牛共同生活6周后，转基因牛的抗病能力明显较强。
为了验证SP110基因是否能有效地遗传给后代，研究者通过人工授精的方式，让转基因牛产下后代。在对带有SP110基因的小牛进行分析后，发现其巨噬细胞对牛结核分枝杆菌的增殖有抑制作用，并可启动细胞凋亡过程——也就是说，转入的SP110基因可以有效地遗传给后代。
德国的弗里德里希·勒夫勒研究院家畜遗传学研究所主任海纳·尼曼（Heiner Niemann）认为，研究结果为探寻抗病家畜的新方法奠定了基础，这将可以避免对染病家畜的大批宰杀以及对畜牧业的不良经济影响。他还表示：“该研究向利用先进遗传工具来获得抗病家畜的目标又推进了一步。至于转基因牛在接触高剂量结核分枝杆菌时的抗病力，还有待进一步研究。”（编辑：球藻怪）
参考文献：
- Science Media Centre Roundup “Expert reaction to genetically engineered cows resistant to bovine TB, aspublished in PNAS*”
- Wu, Haibo, et al. "TALE nickase-mediated SP110 knockin endows cattle with increased resistance to tuberculosis." Proceedings of the National Academy of Sciences (2015): 201421587.