“新版”克隆牛能产“人乳化”牛奶吗

据媒体日前报道，我国成功培育出世界首批胚胎干细胞基因编辑克隆牛，实现了奶牛特定遗传性状的定向高效改良，大幅缩短育种周期，是我国动物生物育种领域的重大突破。那么，为何要攻关大家畜基因克隆技术？插入人源β-酪蛋白和人源乳铁蛋白基因，能产出接近母乳的牛奶吗？

克隆开辟大型哺乳动物无性繁殖

克隆是很多人都熟悉的概念，其技术研发在多个关键领域有潜在益处，包括医学突破、农业改进、科学研究支持及物种保护等。从1996年绵羊“多莉”克隆成功、开辟大型哺乳动物克隆时代以来，众多动物都实现了克隆。

克隆是clone的音译，起源于希腊文Klone，原意是指枝芽通过扦插或者嫁接之类的方法（即无性繁殖）成长为一棵新的植株。其核心信息就是把分化成熟的细胞恢复到细胞初始、可以发育成全新个体的阶段。这一点在具有“一叶一世界”现象的植物里比较常见，不过对于动物来说很难，因为动物在发育后大多数细胞会不可逆转地走向特化，基本丧失了全能性。所以，当初绵羊“多莉”的出现才引发了世界级的震撼：科学家用成年绵羊已经分化成熟的乳腺细胞培育出一只完整的绵羊，其基因和供体绵羊完全一致，实现了大型哺乳动物的无性繁殖。

这种传统克隆技术其实存在一些局限性。成熟体细胞的扩增能力是有限的，体外培养技术在传代数十代后就进入了难以避免的衰老、停滞状态，而且其传代过程还容易出现染色体、基因组不稳定的问题。同时，成熟细胞的表观遗传修饰状态需要重新被编程，难度较大。虽然将成熟体细胞的细胞核移植到去除细胞核的卵母细胞可以很大程度上解决这个问题，但是依然会有部分重编程不彻底的情况，从而影响克隆动物的生长发育性能，导致克隆效率相对较低，增加了进行大规模克隆动物培养的难度。

引发以上问题的关键原因在于，传统克隆技术采用的是成熟体细胞，而动物体细胞上的许多修饰导致其后续操作非常艰难。那么，我们非得使用成熟的体细胞吗？

科学家发现，不是所有的动物细胞都是全能性丧失、深度表观遗传修饰的。典型代表之一就是动物干细胞，从受精卵到原肠化前胚胎出现的这些细胞具有非常丰富的多能性，比如胚胎上胚层的干细胞能够分化成完整的胎儿。既然如此，是否可以不选择成熟体细胞，而直接用胚胎干细胞作为载体，对动物进行基因编辑和克隆，使整个操作过程更加顺畅高效呢？

此次，中国科学家实现世界首批胚胎干细胞基因编辑克隆牛，采用的就是这种思路。科研攻关主力之一、中国农业大学韩建永教授团队采用了胚胎干细胞基因编辑克隆技术，不仅可以利用干细胞在体外稳定传代且依然保持多能性的优势，还能让基因编辑的效率更高且保证多次连续基因编辑，从根源上解决了体细胞因扩增能力有限、编辑效率有限、传代不稳定所导致的育种问题。

猪胚胎干细胞培养为克隆牛打下基础

采用胚胎干细胞进行基因编辑克隆需要克服重重困难，科学家遇到的第一个难题就是物种特异性。尽管此前在小鼠身上已经实现了胚胎干细胞克隆，但是无法将同样的操作照搬到大型哺乳动物身上。科学家通过分子层面对不同动物的胚胎干细胞特性进行解析后发现，大家畜如猪、牛、羊的胚胎干细胞在自我更新、分化机制等方面有差异，且胚胎发育调控机制更为复杂、所需条件更加严苛，这导致大家畜的胚胎干细胞在体外稳定培养、定向分化十分不易。

为了解决这个问题，韩建永教授团队通过十多年的研究，成功建立了猪胚胎干细胞分离培养技术体系，也解决了近40年来大家畜胚胎干细胞建系的国际难题。研究人员通过绘制猪胚胎发育全时期的发育图谱，解析了不同发育阶段猪上胚层干细胞的多能性变化和调控分子机制，基于这些发现进一步建立了可长期稳定传代的猪上胚层干细胞系和培养体系，并利用多组学联合分析对其多能性特征进行精准定义。同时，他们利用干细胞结合基因编辑，创建了连续至少3次基因编辑的克隆生产体系，为后续应用建立了高效技术体系。

中国这套技术体系的先进之处在于，可以让细胞系在体外传代超过300代，且依然维持细胞的多能性和基因组稳定。这一目前世界上大家畜胚胎干细胞传代次数最多、可进行多次基因编辑操作的猪胚胎干细胞系，为此次奶牛胚胎干细胞建系提供了经验和基础。

科学家绘制出牛胚胎细胞发育图谱，通过比较胚胎学确定牛和猪在胚胎发育多能性调控上的相似性和差异性，寻找到关键因子，进而对牛胚胎干细胞的培养体系进行优化，建立起稳定的牛胚胎干细胞技术体系。同时，研究人员对牛胚胎干细胞稳定连续基因编辑进行了实验探索和优化，创造了适用于牛的高效基因编辑策略。在这套体系的加持下，科学家成功实现了牛胚胎干细胞基因编辑克隆。项目数据显示，研究团队累计制备胚胎干细胞基因编辑克隆胚胎200枚，移植105枚，移植后60天妊娠率达48.75%，分娩率达30.00%，新生犊牛24小时成活率为70.83%。目前，首批克隆牛已超过3月龄，当前成活率为45.83%。经第三方权威机构鉴定，所有克隆犊牛均来源于同一胚胎干细胞系，且携带正确的基因编辑位点，它们是世界上首批胚胎干细胞基因编辑克隆牛。

值得一提的是，“胚胎干细胞基因编辑克隆牛”项目是产学研用深度融合创新模式的典型案例。在河北省科学技术厅“揭榜挂帅”项目支持下，各方组成科研攻关团队，中国农业大学韩建永教授团队负责建立奶牛胚胎干细胞系，编辑插入人源β-酪蛋白、人源乳铁蛋白基因；河南创源生物技术有限公司刘红波博士团队对克隆技术进行系统性重建，生产克隆胚胎；石家庄天泉良种奶牛有限公司对胚胎进行移植，实现快速扩繁。这一模式打通了从实验室科研成果到现实生产力转化的全链条，为产业化应用做好了准备。

人乳化牛奶有望成为现实

中国科学家不仅用胚胎干细胞对牛进行克隆，还进行了“人乳化”基因编辑改造，这是该科研项目的一大亮点。

为什么要进行“人乳化”改造？这就要说到乳汁的差异了。牛奶被称为“白色血液”，其丰富的营养为人们的健康带来很多益处，但婴儿由于消化系统尚未发育完全，一般只能依靠母乳作为营养来源。世界卫生组织建议母乳喂养要达到6个月到2岁甚至更久，但现实中可能因为各种各样的原因，母乳需要用牛奶等动物乳汁来替代，奶粉是普遍使用的形式。

牛奶和母乳虽然都是乳汁，其中的蛋白却存在差异。比如，同样是广泛存在于哺乳动物乳汁中的β酪蛋白，母乳和牛奶不仅含量不同，β酪蛋白的基因蛋白序列相似度也仅为50%，这会导致人体消化吸收、免疫应答等存在差异，使一些孩子出现消化不良、过敏等问题。再比如乳铁蛋白，这是一种广泛存在于乳汁并具有结合铁能力的活性糖蛋白，是母乳中球蛋白的主要成分，能促进机体对铁的吸收、调节肠道菌群和增强新生儿免疫力。然而，人乳铁蛋白和牛乳铁蛋白有30%的氨基酸序列不同，更不用说，人初乳中乳铁蛋白的含量是牛奶的10倍，因此单纯的牛奶制品并不足以补充乳铁蛋白。

以上种种决定了牛奶不能百分之百替代母乳，但有了基因技术后，或许能让二者的差距大幅缩小，让牛奶更符合人的需求。这就是科学家对奶牛干细胞进行基因编辑的原因之一，通过把人源β-酪蛋白和人源乳铁蛋白基因（人源意味着这些基因与人的基因一致）编辑到奶牛身上，让奶牛产出在一定程度上接近母乳、对孩子健康有利的牛奶。

理论上，结合基因编辑技术还可以改造更多的基因。未来，通过大规模改造奶牛的相关基因，让奶牛产出与人乳成分相同的乳汁，很有可能变为现实。韩建永教授在接受媒体采访时表示：“我们不仅从根源上解决了传统体细胞因扩增能力有限、编辑效率有限及传代不稳定所导致的育种问题，还将推动牛奶成分向人乳精准升级。”

奶牛育种走上自主可控之路

提到科技自立自强，人们往往首先想到的是芯片、AI等工业科技，其实当今农业科技同样需要自立自强，部分领域亟待技术突破。

以我国奶牛产业的种源为例，如今奶牛普遍采用人工授精方式，以便精选优质奶牛资源、提高奶牛品质，但目前我国奶牛所需的公牛精液70%来自进口，每年引种成本巨大。即便引入优质奶牛良种，我国的奶牛实际性能也相对低下，比如，适应性良好、终生奶产量超过100吨的“超级奶牛”总量不足万分之五，且非常分散。其根源在于奶牛引进才一百多年，尽管与本土黄牛杂交做了一定的适应性改善，但是对于一个长期适应国外环境的物种来说，多少有些“水土不服”。除了奶牛良种之外，核心饲草苜蓿和蛋白原料豆粕往往也需要进口，这导致我国奶牛业付出较高的成本却只能获得较低的产出。

如何让奶牛更适应本土？育种改良是破题的关键。传统育种受限于奶牛的生产、生长周期，效率较低，而近些年迅速发展的基因技术可以更加快速、精准地改善奶牛育种。通过基因编辑一次性导入目标性状，短期内就能实现奶牛改良，而传统杂交育种需要10年至15年时间。胚胎干细胞基因编辑技术可以保障奶牛的稳定遗传，实现优质奶牛规模化生产。在不影响其他优良性状的基础上，基因编辑可针对性地定向改良育种，如同此次把人源β-酪蛋白、人源乳铁蛋白基因导入奶牛，以实现高质量产奶。未来，科学家还能对奶牛做更多精准化改造，如改善产奶量、优化牛奶成分、改善抗病基因等，这些都有助于我国奶牛产业的发展。

当然，对于一项新技术，我们需秉承更加审慎的科学态度。首批胚胎干细胞基因编辑克隆牛之后的健康状况如何？它们是否会因为杂交而导致基因漂移扩散？公众对“设计动物”和“人源基因”的接受度如何？这些都需要深入研究，最终目标是保障更加健康、安全的牛奶生产。

今天的高科技对于食物的改进是一种新选择，中国“胚胎干细胞基因编辑克隆牛”的研究成果给如何利用先进科技来改善动物育种提供了范例。未来，进一步加强种质资源的自主可控、培育完全自主知识产权的种质新材料，将更好地提升我国奶牛产业乃至整个农业的产业竞争力。

（作者为中国科学院西南生物多样性中心生物学博士）