基因編輯家畜禽產業化之進展

財團法人農業科技研究院動物科技研究所動物科技組  杜清富  正研究員(退休)

基因轉殖、基因回殖及基因編輯

　　細胞在分裂前須先將基因體DNA由一套複製成兩套，再等分到兩個子細胞。DNA複製時兩股同時進行，不過因兩股DNA是互補而複製有方向性(由5’端到3’端)，致使一股模板複製時可連續進行，另一股則須倒序且片段式進行，再不斷進行修補及接黏；此外，DNA雙螺旋結構在複製時也需不斷解構(斷鏈)/重接；因此DNA在複製時發生序列錯誤或突變是自然現象，此時細胞以各種機制(如甲基化)辨識新舊股DNA，舊股DNA(甲基化較多)是原始模板，因此修補時會將新股的錯誤，依舊股DNA碼將新股錯誤之DNA碼進行修補。雖然如此，每/各代間DNA組(或基因體)，仍有序列改變為單核酸變異/多態型(single nucleotide polymorphism, SNP)及突變，甚至有DNA片段缺損、插入或倒置，此種改變在體細胞不會遺傳到後代。但是，事實上在生殖細胞配子形成過程之減數分裂，卻有非常多親源染色體間互換現象，使子代基因體多樣化，以產生個體差異，以及適應環境改變之演化壓力，且此等改變會遺傳至後代，增加適應環境之機會。

　　基因轉殖(transgenesis，Tg)及基因回殖(cisgenesis，Cg)即使用各種載體，分別將不同物種(Tg)或相同物種(Cg)之基因，於前述細胞DNA複製時，逢機接至不連續複製股，造成一套或甚至兩套染色體具有Tg或Cg之外源基因，因外源基因為逢機接到不特定位置，致使有時外源基因無法表現，或該位置為重要功能基因位點，以致產生嚴重性突變，喪失重要功能，甚至在純合子時產生致死現象，有時外源基因表現過量，超出正常生理範圍產生異常現象。因此在獲得Tg或Cg之個體須如一般育種流程，再進行評估及選拔，以培育組合成有價值的品系。

　　基因編輯(gene editing, GE)為使用核酸或與蛋白質(酵素或酶)的工具(圖1)，由特定核酸引導該蛋白質在特定位置切斷雙股DNA，此現象一如誘發突變，基因體需立即進行修補缺損處，產生非同質末端連接(non-homologous end joining, NHEJ)，不過此NHEJ並非只直接黏接，亦造成細胞本身DNA序列插入及刪除(insertion and deletion, Indel)或DNA片段倒置等現象，此等現象完全無外源DNA模板加入，GE誘變產生的物種歸類為第一類定點核酸酶(site-directed nuclease-1，SDN-1)之產物。

　　不過，在進行GE時也可以額外加入外源DNA模板，使DNA在進行修復時產生同質重組反應(homologous recombination, HR)將外源DNA模板整合在斷點兩側，此GE/HR產生物種，依其模板來源區分，如為原物種之DNA序列，僅修改少數核酸碼或完整基因序列，則此類產物歸類為SDN-2物種；如DNA模板為不同物種之完整基因序列則所獲得者，則屬於SDN-3物種。

　　

圖1. 應用在畜產動物之基因編輯技術及培育種畜禽規範分類。

　　　目前在GE物種之國際規範已越趨一致，將SDN-1歸類為非基因改造生物(genetically modified organism, GMO)，SDN-3則為GMO物種，在SDN-2則仍有各國/區域不同考慮做不同歸類，如修改長短或核酸數做不同歸類(參考表1及表2)。

表1. 應用精準生物科技(基因編輯)在農業發展之全球規範(分類)依據

分類定義之問題	類別間之區分				淨體子*
能否經由傳統或經由誘發突變而獲得?	是	是	是	否	是
核酸模板?	無	短	長	是	NA
"外源"DNA(合成或轉殖基因)	無	無	無	有	NA

*Null segregant；NA = not all.
(Wray-Cahen et al., 2024. Front Genome Ed. 6:1467080.)

表2. 應用精準生物科技(基因編輯)在農業(動物)發展之全球(主要國家)規範做法

國家	政策	類別間之區分				淨體子	定案
阿根廷	Resolution 21/2021	NGMO	NGMO	LnGMO	GMO	NGMO	是
巴西	Normative Resolution 16	NGMO	LnGMO	LnGMO	GMO	NGMO	是
哥倫比亞	Resolution No.22991	NGMO	NGMO	LnGMO	GMO	NGMO	是
美國	無GMO法,生技產品依據現有法律,以動物新藥法**規範意圖改變基因體(IGA)之動物
	GFI# 187A / B	IGA個別評估，依SDN類之差異				NGMO	是
日本	農林水產省-動物產品	NGMO	NGMO	LGMO	GMO	NGMO	是
澳洲	Gene Act 2000	NGMO	NGMO	GMO	GMO	NGMO	是
紐西蘭	Hazardous Substances and New Organisms Act, 1996	GMO	NGMO	GMO	GMO	NGMO
	新法擬訂中	NGMO	NGMO	GMO	GMO	NGMO
以色列		NGMO	NGMO	NGMO	GMO	NGMO
英國	Genetic Technology (Precision Breeding) Act 2023	NGMO	NGMO	NGMO	GMO	NGMO	是
歐盟	僅植物	NGMO	NGMO	NGMO	GMO	NGMO

* 承上表1，NGMO = not GMO, LnGMO = Likely not GMO, LGMO = Likely GMO;
** FDA主管Animal Drug Laws, IGA= Intentional Genomic Alterations, GFI = Guidance for industry.

註：增修自Wray-Cahen et al., 2024. Front Genome Ed. 6:1467080；美國GFI 187B於2025年5月定案；英國Genetic Technology (Precision Breeding) Act 2023，適用於動植物，2025起於英格蘭、蘇格蘭及威爾斯實施。

　　不過，在蛋雞之研發，涉及半數孵化之雛雞為雄性，無法繼續飼養產蛋而需犧牲淘汰，因此學者將藍色或紅色螢光基因，藉由GE技術標植在Z染色體上(以下以Z’區別)，在母種雞性染色體WZ’之Z’攜帶螢光基因，公種雞為一般ZZ未攜帶螢光基因，因此配種後種蛋，雌性為WZ種蛋，雄性為ZZ’種蛋。在攜帶藍色螢光種蛋孵化時以藍光持續照射，在孵化第9天該蛋內胚就會死亡無法孵化，可以避免淘汰雛雞需性別判斷技術及人道爭議；在攜帶紅色螢光之種蛋進孵化器前，經由照蛋即可挑出攜帶螢光基因之雄性種蛋，即至少半數種蛋(屬雄性)，完全不用進入孵化器，可節省半數孵化電能，亦無殺生之人道議題。

　　此種攜帶螢光基因之母種雞屬於GMO，不過藉由性染體在性別傳承差異，可做到在雌性種蛋(WZ)及其孵化F1子代為所有染色體完全未攜帶外源基因之淨體子(null segregates；基因體已清淨無外源轉殖基因)，則此等F1後裔完全屬於傳統雞隻，非GMO物種，如此，全球每年可達70億個雄性種蛋可以直接淘汰不用孵蛋，其省下能源非常可觀。

達產業化之基因編輯家畜

　　在畜產動物，GE無角牛之冷凍精液最早於2016年為巴西及阿根廷核准上市，不過美國FDA於2019年審查時，因所使用乳牛體細胞於進行GE/Cg時，在將安格斯肉牛無角DNA序列植入乳牛細胞時，同時使用抗生素耐受基因做為篩選標記，造成所產製兩頭無角複製牛攜帶外源抗生素耐受基因，因而審定該牛隻屬於GMO，因此前述巴西及阿根廷立即撤銷其上市核准；此案仍持續進行各項評估及嚴謹審查，主要因出生自然無角，在乳業牛隻管理不僅免掉去角工作與管理人員工作風險，以及不用化學劑破壞角生成細胞達去角，將更符合動物福祉。

    面對氣候暖化，高溫不利牛隻乳肉生產，將泌乳素接受體(prolactin receptor, PR)進行剔除，使牛隻體毛變短利於散熱達生適應熱氣候，在畜群中有PR自然突變牛隻，此案例不論肉牛或乳牛，自2020年起先後有阿根廷(2020年)、巴西(2021年/乳牛及2023年/肉牛)，以及美國(2022年)核准及視為一般育種牛隻。

　　在GE豬隻方面，於美國有少數白人被蜱蟲或璧蝨叮咬過，對α-半乳糖(α-gal)產生過敏，甚至在吃豬肉時也對豬肉中α-gal產生過敏反應，因此，原作為異種器官移植避免超急性排斥反應之半乳糖轉移酶基因剔除豬，因無α-gal被命名為「GalSafe」豬肉，不會產生過敏，FDA在2020年核准此等豬肉上市進入食物架上販售，但是要求必須清楚標示無α-gal，以維護消費者可以正確選到不含α-gal隻豬肉。

    另外，在養豬產業有神祕病毒之稱的豬生殖道與呼吸道綜合症病毒(porcine reproductive and respiratory syndrome virus, PRRSV)，因病毒好感染免疫系統重要之吞噬細胞，豬群感染後，生長肥育豬隻容易產生高燒、厭食及呼吸道疾病症狀，降低生長效率甚至具高死亡率，懷孕母豬則容易流產、早產、生出木乃伊化或死亡及虛弱仔豬，對養豬產業造成非常大經濟損失。由於此病毒變異快及感染細胞免疫系途徑，因此目前使用已開發的疫苗功效不佳；在2016年起開始應用GE技術將PRRSV感染之接受體之CD163中接合區域刪除或整個基因剔除，均證實可完全抗PRRSV感染，此豬種分別在2023、2024及2025年通過哥倫比亞、巴西及美國審核可進入食物供應鏈。

　　由於氣候變遷氣溫升高，降低畜產動物生產效率及增加疾病感染威脅，諸多研究如火如荼進行，諸如抗流感雞隻，抗傳統豬瘟、非洲豬瘟、豬流行性下痢、流感病毒及日本腦炎病毒之豬隻，抗熱緊迫白體毛乳牛及耐下痢病毒牛等等。在最普遍案例之肌肉生長抑制素(myostatin)基因剔除在豬隻研發最多，牛及肉雞亦有研發，惟此案在自然突變雙肌肉牛已有長久歷史記錄，卻因犢牛有難產及其他各種缺陷，並未能由育種培育成為主要牛群，在GE豬亦發現有生理缺陷，相關研發仍需進行審慎評估，確認是否具產業價值。

    此外，豬隻在將飼料能量轉換成ATP時，因粒線體中阻斷蛋白-1 (uncoupling protein-1, UCP-1)基因演化突變刪除第3-5表現子(exon)，無法阻斷ATP形成以產生體熱，致無法在寒冷環境保溫，使野生母豬築巢和商業養豬需點燈進行仔豬保溫，有學者將小鼠UCP-1基因修補豬隻突變基因，使能量可以轉化成熱能，提高仔豬體溫減少保溫所需電能，減少養豬產業仔豬保溫電能消耗之優點，不過，以飼料能量使用效率觀點，是否合算則須再評估。

有性生殖與基因重組看基因編輯

　　美國學者Wray-Cahen 等人(2022)提到GE不是萬靈丹，但是面對氣候變遷的影響，對於動物農業永續性及韌性提供機會，可改善動物健康、動物福祉及生產效率，達改善人類動物性蛋白質營養。在一項1000頭公牛基因體研究(Hayes et al., 2019)，顯示不同品種牛隻之基因體天然存在8,400萬SNP和250 萬個DNA Indels，顯示有性生殖存在基因重組(或編輯)現象，可呼應前述GE如在無外源基因植入之SDN-1類基因編輯，是一種自然現象，在應用GE精準育種，應可視為傳統育種技術，所產製之家畜禽，可歸屬於一般育種技術所培育之動物。

參考文獻：

1. 杜清富。2023。精準育種科技之應用及發展-精準育種之基因編輯技術在家畜育種之應用。中興大學精準農業教學推動中心執行教育部「精準健康產業跨領域人才培育計畫」精準農業領域專書。第四章第一節pp.342-359。(ISBN: 978-986-96453-6-2)。
2. Hayes BJ, Daetwyler HD. 2019. 1000 bull genomes project to map simple and complex genetic traits in cattle: applications and outcomes.
3. Wray-Cahen D, Bodnar A, Rexroad III C. Siewerd F, Kovich D. 2022. Advancing genome editing to improve the sustainability and resiliency of animal agriculture. CABI Agri Biosci. 3:21.
4. Wray-Cahen D, Hallerman E, Tizard M. 2024. Global regulatory policies for animal biotechnology: overview, opportunities and challenges. Front Genome Ed. 6:1467080.

杜清富 正研究員(退休)
財團法人農業科技研究院動物科技研究所動物科技組