美国转基因动物的监管是非

2019-03-25 09:20 | 作者: panda | 标签: 转基因动物

基因农业网按:尽管美国的基因工程作物飞速发展,但其基因工程动物却踌躇不前,究其本质,是美国将基因工程动物纳入了食药监管,是作物药物来监管的。这也是美国转基因三文鱼姗姗来迟数十年的根本原因。这种政策的后果便是,监管混乱,企业研发资金匮乏,转基因动物项目逃离美国。对此,加州大学戴维斯分校动物科学专业Alison L. Van Eenennaam博士在自然杂志合作期刊npj Science of Food上撰文作了论述。基因农业网在此翻译介绍此文。


(翻译:panda)通常认为,日常食物中的DNA是安全可食用的,并且,它也是任何生物体来源食材中必然含有的常规成分。当我们将同一物种中任意两个健康个体的基因组序列进行比较时,往往都能观察到大量天然发生的DNA变异。正因为存在这些DNA变异,育种家们才有可能从中选择出具有特定理想性状的个体,并通过杂交选育等方法得到食源动物和植物的新品种。对于这类新品种,法规机构并不会在其商业化上市之前进行任何安全性评价。而今,由于基因编辑工具的发展,育种家们能够对动植物进行精准的DNA编辑,向农业育种项目中引入有用的遗传位点变异。美国农业部(USDA)宣称,该机构不会对有可能通过常规育种手段实现的基因编辑作物进行额外的上市前监管。

不过,美国食品与药品管理局(FDA)已经提议,针对所有利用现代分子技术(包括基因编辑技术在内)有目的地改变了基因组的食源动物,依据新型动物药物法规进行强制性的上市前安全评价。这一提议与美国在生物技术上的政策方针相悖,此前,美国对于生物技术产品的评价指导原则是,法规监管的触发条件应当是存在不合理的风险,而不是某个生物被某种特定过程或技术改变了的事实。育种家的意图与产品风险之间并无直接相关性。非常有必要协调统一与食源生物的基因编辑相关的法规要求,以让植物和动物的育种家们能够获得基因编辑这类强大的工具,将有用的可持续性状引入美国农业育种计划中,比如抗病性、气候适应性和其他食品质量相关的属性。

有一些牛长角,而另一些则没有(图1),一种名为Granny Smith的苹果与普通的红苹果Red Delicious从外观上看差异很大,这些都是基因组DNA序列发生了天然变异的结果。从技术角度看,这些变异被称为等位基因差异,是由于突变而导致的DNA序列的变化或变异。事实上,即使是同一物种中的任意两个健康个体之间,其基因组中都存在数以百万计的天然DNA变异。这也就是像“23andMe”这样公司的基因测试能够分辨家属和谱系的理论基础:与不相干的人群相比,我们与亲缘关系近的人之间共同拥有更多独特的等位基因或突变位点。


图1 通过基因编辑得到的无角牛的后代,旁边是长着角的对照牛。牛有不同的花色、有些长角有些不长角,这都是它们体内基因组中DNA序列发生了天然变异而造成的。这些DNA序列的变异也可以通过基因编辑的方法实现,比如这只黑色的牛(#1)从她的父亲那里遗传了编辑过的POLLED DNA序列变体(PC 等位基因),因此,遗传编码决定了她天生就不长角。图片由加州大学伯克利分校的Alison Van Eenennaam提供。

为更好地理解这一点,“1000公牛基因组计划”中对2703头牛的全基因组序列数据进行的一项研究显示,不同品种的牛之间存在着8650多万个位点的差异(变异)。这些变异包括250万个DNA碱基对的插入和删除,以及8400万单个核苷酸的变异,即,构成DNA的四种核苷(A、C、G、T)由其中的一种改变为另一种。这些突变中有一小部分是由于对重要的农艺学特性具有有益影响而被育种家选择出来。迄今为止,并未发现这些自然发生的变异会对牛奶或牛肉产品的消费者产生不良影响。事实上,就基因组DNA序列而言,我们每一餐所吃的食物在基因上都与上一餐的食物不同。从食品安全的角度来看,基因变异本身并不构成独特的危害。DNA是所有未经加工的食物都含有的一种天然成分,而这种天然成分每个食源物种(包括植物和动物)的每个个体中都是各不相同的。

个体间DNA的变异(“基因型”)导致了外观可见的差异,也就是我们常说的“表现型”。良种选育的每一个候选个体(可能被选择用于育种的个体)的可观察特征,都是由其基因型与环境的相互作用而共同产生的,在常规的表型评估中被记录下来。而所谓的“off-type”则是偏离了预期特征的个体,被识别出来后不再继续用于育种目的。育种家只选择最有活力、最有生产潜力和最健康的个体作为下一代的亲本。用一位动物遗传学家的话说,“千百年来,动物育种家已经进行了大规模的基于表型选择的诱变筛选活动。”

对于通过传统育种方法得到的动植物品种,虽然会在生产力、繁殖效率、对疾病的反应和质量特性等变化方面进行例行评估,但不会对其在分子水平上是否存在非预期效应进行例行评估。在传统育种得到的新品种商业化之前,监管机构并不会对其进行健康和环境安全的评估。选择出产量更高、适应性更强的动植物品种是提高产量、同时降低单位面积耕地上粮食生产环境足迹的一个非常重要的组成部分。自1960年以来,全球牲畜的生产力提高了20-30%,这在很大程度上是人工选择而带来的遗传改良结果。

自上世纪30年代以来,传统的植物育种项目一直在利用甲烷磺酸乙酯或快中子辐照等致突变化学物质,诱导整个基因组中随机位点上的DNA序列突变或改变,试图产生新的性状变异。这种做法增加了可用于育种项目的遗传变异。在世界各地的植物育种项目中,广泛应用的诱导突变技术已经在数以百计的作物类型种产生了数千个作物新品种。突变品种数据库(https://mvd.iaea.org/)中收录了来自70多个国家的214个不同植物品种的3200多个突变品种。对于这些品种,并没有独特的监管指南或跟踪要求,而且似乎没有任何记录表明这些突变品种由于意外或非预期的不利事件而退出市场。

大多数农作物天然地含有过敏原、毒素或其他抗营养物质。在2004年的报告中,美国国家研究委员会(the National Research Council)指出了一些与传统植物育种有关的罕见安全问题,如猕猴桃中的过敏原、土豆中的高水平的茄氨酸。图2所示为不同个体之间存在的生物变异的大小,以及由于测序平台、错误和基于文献估计的生物信息学分析时可能发生的技术变异的来源。


图2 不同个体之间存在的生物变异大小的可视化表示,以及由于测序平台、错误和生物信息学分析中存在差异而可能发生的技术变异来源。由于植物育种家经常在环境释放前使用自交的方法来培育品种,同一个植物品种的个体之间的变异往往比同一个杂交牛品种的个体之间的变异要小得多。序列变异的量化和检测对测序结果和生物信息学分析中的差异非常敏感。

基因编辑是一种可以将有用的基因变异引入育种项目的技术。它涉及到使专用的酶(位点特异性核酸酶,如CRISPR-Cas9)来切割特定序列的DNA,从而在目标位置引入DNA链的断裂。利用细胞内天然存在的可用于修复这种断裂的DNA修复机制,可以引入核苷酸缺失或插入,或是将一个核苷酸替换成另一个核苷酸之类的遗传变异。基因编辑为引入有针对性的基因变异开辟了新的机会,并培育出那些不需要的性状被精确剔除或消除、而需要的性状被精确引入基因组的品种和品系。这种改变产生的表型将完全取决于所编辑的目标基因。例如,植物育种家已经使用这些工具来提高可持续性特征,包括抗病性、抗旱性和耐盐性,以及产品的质量性状。

2018年3月,美国农业部(USDA)宣布,只要不具有植物有害生物的特性,或者不是利用植物有害生物开发的作物,在投入商业生产之前,该机构无意就这类有可能通过传统育种得到的基因编辑植物对人类健康和环境安全进行评估。根据这项决议,只要是可能通过传统杂交而产生的基因缺失、单碱基对替换和来自近缘植物的核苷酸序列的插入(转移)都不在美国农业部的监管范围之内。

2017年初,美国食品和药物管理局(FDA)发布了最新的《行业指南第187号》草案,题为《对有目的改变基因组DNA动物的监管》。该指南旨在规范所有使用现代分子技术(包括用于开发兽药的基因编辑技术)有目的地改变基因组的食源动物的管理。自2009年以来,FDA一直采用这种方法来监管转基因改良动物。遗憾的是,由于这种严苛的监管方法,没有任何基于重组DNA(rDNA)的技术在食源动物育种项目中得以应用。截至2019年3月,美国市场上没有出现任何一例利用rDNA技术生产的具有改良基因型的动物来源食品。

要了解目前这种尴尬的情况是如何产生的,需要一些背景知识。记录利用基因工程技术得到的转基因食源动物的第一篇论文发表于1985年。1986年,白宫科技政策办公室(OSTP)发布了“生物技术协调监管框架”,文件中称,该框架“试图将需要一定程度联邦审查的生物体与那些不需要审查的区分开”。这一理念遵循了传统的监管方式。例如,在农业领域,植物、动物和微生物新品种的引进长期以来一直是惯例,只有一些非本地的或具有致病性的植物、动物和微生物才需要监管部门的批准。该文件进一步阐明,监管审查应限于有意形成包含来自不同属的遗传物质的“属间组合生物体”,即后来被称为“转基因”的生物体。

在2009年FDA发布的《行业指南第187号》中名为“对包含可遗传重组DNA构造的遗传改良动物的监管法规”一文中,FDA宣布其有意依据“联邦食品,药品和化妆品法案(FD&C法案)”中有关动物新药的相关规定,对所有含有可遗传重组DNA的遗传改良动物进行监管,包括含有遗传改良成分动物的整个家族后代。在上述法案中,动物新药被定义为“一种旨在影响……动物身体结构或任何功能的物品(食品除外)”。FDA澄清说,他们认为转基因动物体内的重组DNA构造就是药物,而不是转基因动物本身。虽然FDA的监管评估看起来是基于产品(转基因动物)的属性,但实际上,用于产生基因变化的方法(即rDNA与其他育种方法的差别)才是这类严格监管的触发器。换句话说,FDA的监管是基于生产转基因动物的过程,而不是基于这种动物或其来源食品(牛奶、肉类或鸡蛋)的特定特征。

这种做法已经背离了OSTP在1992年的政策声明中所阐述的方法,1992年的声明中指出:“在法规所限定的自由裁量权范围内实施监督应以引入物所造成的危险为基础,而不应以某一生物体已被某一特定程序或技术所改变这一事实为依据”。此外,该声明还澄清说,“只有在引入物所造成的风险是不合理的情况下,即通过额外监督所减少的风险的价值超出了由此产生的成本时,才会行使监督权。”

为获得监管机构批准而付出的高昂成本和无法预期的时间,限制了公共部门科学家和小型公司开发转基因动物改良品种的积极性。尽管在过去近35年中对多种转基因作物品种进行了研究和批准,目前仍无一例转基因食源动物成功进入美国消费者市场。转基因三文鱼是唯一依照《食品与药品法》中有关动物新药条款获得食品批准的转基因动物。这种名为AquAdvantage的转基因三文鱼多年来一直游走在监管框架边缘,导致其累计研发和监管成本高达数千万美元。尽管其饲料转化率更高,也能够更有效地地利用膳食中的蛋白质,在2015年11月终于获得FDA的法规批准时,距离最初1989年科学研究人员在加拿大首次得到这个品种祖先已经过去了四分之一个世纪,现在,该公司正尽量避免在美国进口和销售其产品。这是由于美国政府在2017财年预算中的一项由Alaskan Senator Lisa Murkowski提出的条款,指示FDA禁止出售这种转基因的三文鱼,直到开发出一种程序来告知消费者,他们所购买的三文鱼正是遗传改良或生物工程产品。

2017年FDA就基因编辑动物的监管起草了一份指南,建议将所有通过基因编辑而引入的动物基因组改变同样作为动物新药进行监管,进一步将该类产品推入深渊。这包括许多与常规育种中可能发生的类似核苷酸的插入、取代或删除。转基因重组DNA结构的存在不再是触发FDA对产品上市前强制性监管的驱动力,任何“有目的改变的基因组DNA”在动物体内的存在成为了引发监管的触发器。从公共安全的角度来看,这没有任何意义,因为有目的的更改与产品本身是否具有风险没有任何关系。如果要求经过基因编辑的动物遵守与转基因动物相同的监管标准,那么有能力负担这种监管成本的公司可能会胜出。


缺失、突变,以及天然发生的一个等位基因转换成同一物种(cisgenic)中另一个等位基因,这些都可能通过传统育种手段实现,对这类变化实施强制性上市前监管与OSTP政策、美国国家科学院、工程院和医学院在2016报告中的建议背道而驰,后者推荐“由产品而非过程”监管触发的方法,即USDA对基因编辑植物的监管方法。FDA的做法同样也与世界上许多国家的其他管理机构所作的决定不一致,这对全球贸易产生了影响。

最后的最后,有目的改变基因组的食源动物是用来产生食物的,如果他们所产生的食物通过口服途径被食用时并不具有生物学活性,对这些有意进行基因组改变的动物当成药物来监管就毫无意义。将一种DNA序列的变体当成一种“药物”来监管,可能会让消费者感到迷惑和恐慌,他们可能会由此想当然地认为自己所吃的食物中含有生物活性物质。DNA的改变不是药物,而是任何生物体独特的遗传密码特征的一部分。DNA通过其在细胞内的自然功能,控制生物体如何生长,并表现出其独特的形态和功能。表型最终将由生物体的基因组DNA序列和其所在环境的相互作用来决定。我们不对食物中数以百万计的天然基因变异进行监管,因为通常来说DNA是安全的,无论序列如何,这类物质都是我们每顿饭中从任意有机体中获得的食物常规成分。

这件事为什么很重要?


鉴于目前美国尚无一例转基因食源动物产品上市,动物育种家或许是最清楚监管僵局对潜在有价值的育种技术的应用造成的可怕影响的群体。这将表明FDA的监管方法无法满足该应用目的,因为似乎没有一个可行的路径让安全产品进入市场。此外,以往对基因间重组DNA作为一种新型动物药物而关注于其潜在效应的做法并不适用于不产生任何重组DNA的基因编辑技术。转基因动物的例子包括抗病动物、具有改进的质量性状和/或减少常见过敏原的产品,以及减少环境足迹影响的生产动物。获得监管部门批准的高昂成本,限制了公共部门科学家和小型企业开发转基因动物改良品种的积极性。该技术在动物育种项目中应用的延迟或禁止,与放弃基因改良方面的实际机会成本有关。

基因编辑的出现为我们重新思考现代生物技术产品的监管方法提供了一个机会,许多作者认为,监管审查的触发因素应该是新产品的潜在危害/风险(如果有的话)与由此带来的好处之间的利弊权衡。研究人员已经在一系列有益的基因编辑食品动物应用项目中作出了努力,用以解决重要的人畜共患病和增加动物福利,如去角和阉割。公共资金对食用动物基因组测序项目的重大投资已带来了深入的理解,而基因编辑在将这些知识转化为有用的实践方面具有巨大的潜力。这类技术在食源动物中最知名的应用包括抗病动物,如带有删除基因的猪,可抵御毁灭性的猪繁殖与呼吸综合征(PRRS)病毒,以及携带一种自然产生的POLLED等位基因的牛,它们不长角,因此幸免于痛苦的物理去角手术。这两个例子都有利于动物的健康和福利,而这类性状的改善往往会得到公众的好评。

在这两个例子中,都不涉及到遗传物质的转基因DNA重组,然而在2017年草案FDA的指导下,这两个例子在商业化释放之前均须遵循FD&C法案中有关新型动物药物的相关要求,受到强制性的监管审查。在其中的一个例子中,DNA的缺失(基因删除)是一种可通过动物繁殖传给所有后代的“药物”。在另一个例子中,所谓“药物”是源自于另一个品种中自然产生的一段212个碱基对的DNA序列,我们经常从那种牛来源的食物中吃下这种“药物”,而它却不需要受到额外监管。同样一段序列,在经过基因编辑操作后被引入另一个奶牛的基因组中(这种操作完全可能通过自然变异产生),却需要受到严格的监管(图1)。监管程度应与潜在风险相匹配,意味着不具有风险或是低风险的产品应该受到最少的监管,而那些构成高风险的产品则应该经受全面的监管审查。此外,监管应该是公平的,这意味着无论生产过程如何,具有相同风险水平的产品都应该受到同等的审查。

Genus PLC是一家大型育种公司,已经宣布将耐受PRRS的基因删除猪将由FDA监管审查。鉴于这种抗病性状对全球养猪业的重要性,以及像Genus这样的大公司所拥有的资源,这或许是一个合理的决定。然而,学术研究人员和小公司所面临的情况则完全不同。FDA指南草案建议需要对多个世代进行基因型和表型持久性研究,在可行的情况下,包括至少两代(最好更多)的遗传数据,并建议来自非连续世代(例如F1和F3)的至少两个采样点。此外,指南草案建议,所有过剩的调查动物及其生物制品应通过焚烧、掩埋或堆肥处理。对大型食源动物(如牛)的多代研究需要数年时间,而且超出了大多数学术实验室的能力范围,尤其是如果研究动物必须在试验结束后被焚烧而不是用于食品销售的话。虽然这些要求在表达药物蛋白(即真正的药物)的改良动物中可能具有一定的意义,但在食品中发生的DNA缺失或天然存在的等位基因的背景下,这类做法几乎没有任何意义。有哪些理由能够认为,一小段DNA的缺失会是一种药物呢?

指南草案中阐述的另一项要求是“对有目的更改、任何非预期更改(例如偏离目标的更改、意外插入、替换或删除)的位置进行全面描述”,并进一步建议研究人员对是否存在编码或调控区域的意外中断进行评估。考虑到数以百万计的任意两个个体之间存在的自然的基因变异,以及观察到的减数分裂中发生的意外插入、替换或删除,目前尚不清楚以何种方式满足这一要求,同时区分非目的的改变和自发的插入、替换、删除以及其他非预期的自然产生的改变,如图2所示。全基因组测序数据的分析和注释在所研究群体中的个体之间也可能不一致,使得从监管的角度进行标准化管理变得十分困难。与此同时,用传统育种方法生产的动物则不要求在分子水平上对非预期效应进行例行评估。

可预期,如此沉重的监管负担与高风险产品有关。然而,实际上很难提出一个与同样可以通过传统育种技术得到的动物有关的独特危害(伤害),更不用说风险(伤害的可能性)了,对其进行监管仅仅是因为它们携带有目的改变的基因组是通过基因编辑技术引入的。该指导草案将食品安全风险分为两大类,第一类是要求检查食品消费“主体所表达的产品”是否有任何直接毒性,包括过敏性。虽然这种风险可能与转基因的表达产物有关,但这对那些同样能够通过传统育种技术培育出来的动物来说,这种评估仍然没有什么意义。从监管的角度来看,对通过传统育种技术培育的动物不要求进行这类研究,令这一要求显得格外不公平,特别是考虑到传统动物育种从历史上一直具有较低的食品安全风险。

第二类所谓的食品安全风险要求进行研究,以确定与动物生理学上是否存在任何具有生物学相关的变化而产生的间接毒性,并确定有意改变基因组的动物的可食用部位的组成是否不同于传统产品。如此高水平的监管审查要求可能是为了缓解公众的恐惧或安抚那些持反对意见者。然而,对那些有可能通过使用传统育种而得到的产品而言,不成比例的监管负担可能会阻止基因编辑技术在美国食源动物育种计划中的应用,并导致纯粹出于躲避上市前监管的障碍而最终选择低效的育种流程来引入有用的遗传变异。

应该强调的是,现有的育种计划已经对候选品种进行了彻底的表型选择,以寻找可能存在于重要选择目标之间那些非期望或负相关的表型。例如,一家大型育种公司从表现型上对肉鸡候选品种进行56个性状的评估,其中超过50%的性状是衡量健康的指标。这些特征包括骨骼和腿部畸形、心脏和肺功能的多种生理指标,以及特定的死亡原因。就像植物育种一样,“off-type”不会进行继续作为亲本保留在育种产线上。在繁殖金字塔的谱系层次上,有活力且健康个体的选择压力非常大,在这个金字塔中,每一个成功被选出的候选个体都有可能产生数百万后代。

最后,FDA提出的监管方法与动物育种计划在结构上不相匹配。许多品系和/或品种,以及由此产生的多个“祖先”动物可能需要进行编辑以具备完全相同的特征。例如,在肉鸡行业中,大多数初级育种家在多个不同的育种品系间选择杂交,以满足不同行业的需求。就乳制品行业而言,需要向有角的品种(如荷斯坦和泽西)中引入POLLED的无角等位基因。并且,为了防止基因近亲繁殖和多样性的丧失,常常需要向许多优良的人工授精公牛品种中引入同样的改变。
FDA的指导草案建议,每一项新型动物药物的申请通常只涵盖来自单一变更事件的动物。如果每一个编辑动物在上市前都需要经历一个多世代的强制性监管评估,那么,所提议的美国对基因编辑动物的监管原则就与遗传改良计划的现实之间产生根本的脱节,遗传改良计划中未来的父母本都会从后一代中选出,因为那些动物在遗传表现上往往会优于他们的父母。

基因编辑食源动物的应用正转移到那些对基因编辑动物具有更宽容态度、有着基于新产品特性触发监管机制的国家,这种现象并非偶然。阿根廷是第一个公布其对基因编辑生物体的监管方法细则的国家。他们计划以相同的方式来监管植物和动物,监管的触发因素将是植物或动物产品是否含有“新的遗传物质组合(即属间转基因)”。图3中所示为那些根据阿根廷法律会被视为“GMO”的情况和那些无论育种过程中是否使用现代生物技术或重组DNA技术均不会触发额外的监管的情况。加拿大是唯一允许转基因动物商业化销售的国家,2016年批准AquAdvantage三文鱼上市,加拿大有一个由产品的新颖性触发、基于产品的监管体系,无论获得植物或动物终产品过程中使用了何种育种技术。


图3 (a)阿根廷(由Whelan和Lema修改)和(b)美国拟议的基因组编辑在食源动物品种中应用的法规流程对比图。改编自Van Eenennaam (2018)

基因编辑公司Recombinetics宣布与加拿大的牛类遗传学技术供应商Semex合作,利用基因编辑技术,将自然产生的POLLED 等位基因导入他们的优良奶牛品种的遗传背景中。2018年10月,巴西国家技术生物安全委员会(CTNBio)得出结论,根据他们的监管模式,经编辑后携带PC POLLED 等位基因的公牛的精液不会被视为“转基因生物”。同样,阿根廷国家农业生物技术咨询委员会(CONABIA)评估了拟议的基因编辑动物,并判定这些不包含任何外来DNA或新的遗传物质组合的动物不受转基因法规的约束。这些动物包括使用基因编辑改良的鱼(罗非鱼)、牛和马。在缺乏监管框架一致性的情况下,一些国家的育种家将有能力在农业育种计划中使用基因编辑技术,而其他国家的育种者则没有能力,这将导致育种在对这类高效育种工具的可获得性上产生差距,并最终可能导致贸易中断。

FDA题为“对有目的改变基因组DNA动物的监管”的《行业指南第187号》草案并不能满足既定目标的使用,因为它涉及到那些能够通过传统育种技术得到的食源动物。我们拒绝接受“有目的的基因组DNA改变应当被视为食源动物兽药进行监管”的想法,并认为草案中提议的方法会阻止公共部门研究人员和小公司对这类遗传学方法的使用,比如通过基因编辑解决美国的人畜共患疾病和动物福利问题。我们进一步支持多位科学家在2019年动植物基因组会议上的动议(www.gopetition.com/petitions/harmonize-us-gene-edited-food-regulations.html),即美国监管体系应该协调一致,仅仅基于有目的的基因组改变的事实(无论育种过程中是否使用现代生物技术或重组DNA技术),使那些完全有可能通过传统育种技术开发得到的基因编辑改良动植物无需受到额外的上市前监管要求。

原始文献:
www.nature.com/articles/s41538-019-0035-y

来源:基因农业网

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