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- 590期－豬的時代（2月號）
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2019-02-01在玩轉基因之後 豬為人類帶來哪些醫學希望？
590 期
Author 作者
杜清富/農業科技研究院動物科技研究所。
豬隻與人類同為雜食動物，在營養代謝、生理功能及組織器官解剖構造，非常接近人類。除了非人靈長類外，豬隻被視為最接近人類的醫學實驗動物，過去曾提供胰島素及肝素，且長久以來提供心瓣膜、豬皮膚敷料、去細胞眼角膜及小腸基質等諸多醫藥或醫療器材，因此，豬在生物醫學及生物技術上，一直被學者視為極具基礎科學及生醫產業價值的研發對象。
前言
近年來，在生物學領域中最亮眼的進展是基因轉殖（transgenesis, Tg）、基因編輯（gene editing, GE）、誘導型多潛能幹細胞（induced pluripotent stem cell, iPSC）以及體細胞核轉置（somatic cell nuclear transfer, SCNT）的複製動物（animal cloning）等技術應用。基因轉殖直接跨越基因交換物種間限制，複製動物使已分化細胞重新成為個體；過去進行基因剔除（knockout, KO），是藉由胚胎幹細胞（embryonic stem cell, ESC）及同質重組反應（homologous recombination, HR），不過卻有效率低、技術門檻高等缺點及限制。因此，若能結合上述技術的研發，將更能提升豬隻在人類醫學研究、醫藥、醫療器材及組織器官的應用潛力，以下將簡述此等技術及如何配合應用到以豬為主體的研究上，乃至涉及社會倫理議題。
基因轉殖與複製
哺乳類的精子與卵子各會攜帶一套遺傳物質，在受精後進行DNA複製並形成原核（pronuclei），若在受精卵於原核複製時進行DNA剪接修補作用，如將外源基因藉由顯微注射至原核內（圖一），即可成功產製基因轉殖動物，以出生動物為計算基礎其成功效率可達10~20％。基因轉殖豬在生物醫學最具研發潛力是異種器官移植，不過需克服複雜的免疫排斥反應及凝血反應，所以除基因轉殖外，還需進行基因剔除。以往的方法為將抗原進行基因剔除，培養早期豬胎體細胞進行同質基因重組，獲得免疫抗原剔除基因後，再將基因剔除的細胞核藉由體細胞核轉置到放入卵內，藉由卵中豐富發育因子及電極激活基因重新表現（reprogramming），產生基因剔除複製豬。不過2011年起，學者開始應用基因編輯技術，能簡化繁雜技術及提高成功率，甚至可直接使用豬受精卵進行。
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圖一：豬受精卵顯微注射。
將基因編輯後的DNA載體注射至原核（左），或將基因編輯後的RNA載體注射至細胞質（右），載體在受精卵階段均可轉錄成RNA及轉譯成蛋白質編輯工具。（作者提供）
幹細胞研發
身體組織器官內具有體幹細胞，可進行更新或修補，不過體幹細胞已分化，僅能再分裂及分化成該特性組織或器官。唯獨早期囊胚中的內細胞群（inner cell mass, ICM）可分化為身體所有組織及器官，因此，使用囊胚進行培養，使其在體外培養持續保持全能分化潛力及無限分裂特性，即稱為胚胎幹細胞。自1981年小鼠 （mouse）的胚胎幹細胞被發表後，便在基礎生物學及醫學領域被學者廣為研究，雖然在大鼠（rat）、人類和非人靈長類等物種陸續建立，但在豬的建立截至目前尚未成功。2006年，日本山中伸彌（Shinya Yamanaka）團隊發表以最少4個轉錄因子，分別是Oct4、Sox2、c-Myc及Klf4，使已分化體細胞恢復為具多能分化能力的誘導型多潛能幹細胞。此研究也引領甚多學者陸續發表以豬體細胞成功建立iPSC，然而，目前僅韋斯特（Franklin D. West）教授團隊在2010年所發表的嵌合豬和2011年發表具性腺傳承的結果；其他學者儘管能證實所建立的iPSC具分化為內、中及外胚層組織的能力，但均無法重複嵌合豬，甚至再增加其他轉錄因子也未能有所突破。不過，豬隻的初代細胞（primary cell）再經4、5個轉錄因子誘導培養，如今已普遍可獲得 iPSC，只是在應用上仍存在許多挑戰和限制。
基因編輯豬
基因編輯技術快速發展，包括鋅指核酸酶（zinc finger nuclease, ZFN）、轉錄活化態作用核酸酶（transcription activator-like effector nuclease, TALEN）及CRISPR ∕ Cas9等，目前已普遍應用到不同物種，以滿足各種研究開發目的。......【更多內容請閱讀科學月刊第590期】