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轉基因作物不確定性的不確定性

文/冷月如霜

科學網吳炬老師的《一片亂象——轉基因作物的不確定性》一文,是我現在看到的所有質疑轉基因作物的文章中,水平最高的一篇。這樣以科研論文為依據的質疑,也正是討論轉基因作物安全性所必需的。不過在我看來,文中的一些觀點有待商榷,這裡也不妨談一下自己的觀點,若有不對,還請指正。

在目前帶有抗蟲基因的轉基因作物中,轉入合成BT蛋白的基因的作物佔了很大一部分[1],這也是吳炬老師文中所討論的毒素。簡要說來,BT蛋白是一種細菌中合成的一類蛋白質(BT是這個細菌學名的縮寫),一些鱗翅目(比如蛾子,蝴蝶)、雙翅目(比如蚊子)、或鞘翅目(比如甲蟲)的幼蟲食用了這些蛋白後會造成消化道上皮細胞穿孔,影響一系列生理活動而死亡。很多人關心含有BT蛋白的轉基因作物的一個主要問題就是——既然BT蛋白能殺死這些幼蟲,那麼同樣的毒性是否會造成人的消化道上皮細胞穿孔呢?

目前為止,學界的答案是否定的,理由有三。其一,BT蛋白需要在鹼性的環境下才能溶解並正常工作。這些幼蟲的消化道內的環境為鹼性,但人體消化道的環境卻大多為酸性,僅在迴腸末端出現了弱鹼性的環境 [2][3](並非醫學專業,倘若所引資料有誤還請指正)。如果這些蛋白不被順利溶解的話,是連蛾、蝶的幼蟲也殺不死的 [4]。

其二,鹼性環境雖是必須,但卻仍不足以讓BT蛋白發揮出其活性。在鹼性環境下,這些BT蛋白還需要經過蛋白酶「切上一刀」,才算被正式活化。做個不算非常恰當的比喻,有些電影你不剪掉一點片段,是無法上映的。這些蛋白酶有著較高的物種特異性,在蝴蝶體內存在的蛋白酶,在甲蟲體內未必存在。只有當特異的蛋白酶存在時,BT蛋白才會顯現出毒性。

其三,這些「動過手術」後的BT蛋白只有結合在上皮細胞的受體後,才會啟動一系列的反應,使上皮細胞的細胞膜穿孔,並最終導致幼蟲的死亡。這個蛋白與受體的結合也是高度特異的。再拿電影舉個並不是百分百契合的例子,如果剪出來的片子是動畫片,那麼就應該投送兒童頻道;剪出來的片子是紀錄片,那麼就應該投送記錄頻道。正是因為「鹼性環境,特異性蛋白酶和特異性受體」這三者缺一不可的組合,才讓目前的學界認為作為殺蟲劑的BT蛋白對脊椎動物來說是安全無毒性的[5]。

正因為如此,在2012年發表的一篇論文中,已經有實驗室開始考慮使用BT蛋白殺死人類腸道中寄生蟲的可能,並已經在小鼠中取得結果[6]。此外,在大家的心目中有機食品已經成了天然食品的代名詞,似乎與轉基因作物水火不可兩立。但實際上,在有機農場裡噴灑含有BT蛋白的殺蟲劑的做法相當常見,已經沿用了50多年[7]。

討論過BT蛋白的毒理與安全之後,我來提一下與吳炬老師觀點的不同之處。吳炬老師在他的文章中說他在一篇論文中發現「在這個實驗中,證實了Cry蛋白可以與牛、豬的BBMV的結合」。我個人對此持保留意見。

首先,原始實驗的一個主要做法是CPT。簡要說來,游離的BT蛋白與BBMV混合後進行高速離心。原作者認為與BBMV結合的BT蛋白會沉在離心管的底端,然後藉由常規的蛋白膠電泳和western-blot就能測試BT蛋白與BBMV是否能夠結合。但這是一個非常粗糙的方法。在這個方法中,蛋白很容易會發生非特異性的結合。在我的一次CPT實驗中,原本應當是負對照GFP在經過western-blot後也顯示出了條帶,事後的分析顯示GFP可以和離心管壁發生結合而吸附在上頭!因此在我看來,由於沒有給出負對照蛋白與BBMV結合與否的圖片,文中這個實驗方法並沒有說服力。其次,即便這個實驗中BT蛋白確實與BBMV發生了結合,也不能說明什麼問題。吳老師所提到差異不明顯的結果(3.2(蠶)對1.9(豬),的確相當接近)是BIAcore的結果,而文中同一段還展示了共沉澱的western結果,蟲與哺乳動物的條帶差異非常明顯,而那篇論文的最終結論,用吳老師自己的話描述,「……看到一篇報導涉及Cry蛋白對哺乳動物小腸上皮細胞的實驗,說Bt蛋白不影響小腸上皮細胞的膜完整性。」也就是說,該論文的觀點是支持BT蛋白對人無毒性的。

不過吳炬老師自己也說了,「在Cry蛋白的毒性作用中,最關鍵的並不是Cry蛋白與小腸上皮細胞刷狀緣囊泡(BBMV)的結合,而是結合鈣黏蛋白樣受體後,促進了Mg2+依賴的信號途徑,從而使得細胞死亡」。在這裡,我同意前半句,不同意後半句。結合受體後的具體途徑目前有兩種模型,Mg2+只是其中的一種,而這兩種模型並沒有得到很好的區分[8]。不過這一點瑕不掩瑜,吳炬老師可能只是一時筆誤,因為他自己在後面也提到 「在已看到的資料中,Cry蛋白一定會與哺乳動物小腸細胞接觸,但是毒理學研究卻呈現不同的理論。一是受體-信號理論,即Cry蛋白結合受體後,由受體導致Mg2+依賴的信號途徑,激活胞內凋亡信號,從而殺傷細胞;二是成孔蛋白理論,即Cry蛋白本身,由受體促進水解,成熟蛋白寡聚,在細胞膜上形成孔道,造成滲透壓shock」。

在提到BT蛋白受體時,吳炬老師說它們「均來自昆蟲,屬於鈣黏蛋白樣受體(Cadherin-like receptor)。而哺乳動物中大量存在不同類型的鈣黏蛋白,未知是否能夠參與Bt蛋白的細胞毒性功能,這方面的研究報告很少」。我在下午嘗試搜索了一下,或許是我設置的關鍵詞不對,搜出來的論文有很多,但卻沒找到詳盡分析哺乳動物的蛋白是否能夠參與BT蛋白毒性功能的論文,所以目前為止我同意說「這方面我能找到的研究報告很少」。但我不是很同意吳炬老師的推論。在我的理解中,吳炬老師是想暗示說由於動物中有著大量不同類型的鈣黏蛋白,所以有可能會出現一些能夠結合BT蛋白的受體,使BT蛋白在人體中表現出毒性,造成安全上的不確定性(當然,如果吳老師沒有那個意思,就當我這段話是廢話好了)。我的反對意見如下:在BT蛋白結合受體前,需要通過蛋白酶的「切一刀」才能表現出活性(參見上文中BT蛋白毒理的第二條),即便吳老師發問說「哪種細胞沒有鈣黏蛋白?哪個組織沒有鹼性磷酸酶?」,我也還是堅持說這些蛋白酶是有特異性的。如果人體中沒有這些蛋白酶,那麼出現這些受體又怎樣呢?何況目前學界普遍認為人體中沒有這類受體。此外,吳老師在下文中也提到「比如Cry1Ab與Cry1Ac,儘管序列相似度很高,但卻可能通過不同機製作用目標昆蟲的中腸細胞[11],不同受體對不同Cry蛋白的親和力不同」。我同意這一點,受體也是有特異性的。但在我看來,雖不能說人體裡肯定沒有能與BT蛋白相結合的受體,但從人類與昆蟲的親緣關係看,在確鑿發現某個受體與BT蛋白能夠結合之前,我傾向於認為人體裡不存在這個受體(當然我的這個觀點沒有定論,歡迎討論)我搜索了和蛋白酶/受體特異性相關的論文,並沒有找到什麼支持我,或者支持吳老師的證據,因此反對歸反對,我不能說吳老師肯定錯,也不能說肯定對。為了讓吳老師心安,我覺得在分析完人體內所有的蛋白酶能否切割BT蛋白,以及所有的受體能否結合活性BT蛋白之前,這個問題是沒有定論的,需要時間和更多的研究。

談完BT蛋白的毒理與安全性,我們再來看看轉基因技術的理論是否成熟吧。吳老師說「被轉入真核生物的基因沒有相應的糾錯機制,如果算突變機率,則被轉入的這段基因的突變機率將高於基因組的其它部分」。我不知道您說這話的依據是什麼。轉進去的基因需要整合到基因組裡面才能起作用,轉進去的基因已經成為基因組的一部分了,和基因組的其他部分沒有區別。DNA聚合酶帶有「校對」的功能,能夠檢查新複製的DNA鏈上是否有錯讀;Photolyse可以切掉聚合的T;Endonuclease可以切掉錯配的鹼基;Helicase可以把整段錯配的DNA給切下來。吳老師是認為由於轉入的基因原本屬於原核生物,它就不經過真核生物細胞內的一系列防錯設施了嗎?還是說由於吳老師覺得轉入的基因沒有內含子,所以就不享受真核生物細胞內的福利呢?其他我不敢說,不過要知道,模式植物擬南芥中沒有內含子的植物基因可不少呢……依我看,我認為這些基因依舊享有真核生物的糾錯機制。

關於吳老師提出的轉基因對植物基因組的影響,我也有些不同的觀點。

吳老師提出了三個問題。第一,「它本身插入的位置,是否會因為上、下游核苷酸而產生移碼突變,造成啟動子失靈或終止子失靈」。我的回答是啟動子(promoter)和終止子(terminator)沒有移碼突變,因為它們不編碼。如果吳老師說的啟動子和終止子是指「起始密碼子」和「終止密碼子」,提的問題是這個基因能否順利開始轉錄和停止翻譯,那麼這個問題只要通過提取基因組DNA並測序就能解決,在我手裡前後不過兩天的時間。

第二,「這樣無數段人造基因插入是否會破壞植物基因組結構,使原有基因產生錯誤表達?從而產生不希望的甚至有毒害的物質」。我的回答是轉基因作物一般都需要確認單拷貝插入。事實上,我們追求單拷貝插入,是因為多拷貝容易造成共抑制,導致沉默,所以單拷貝插入通常是表達量最高的。無數拷貝插入的情況首先就過不了研發關,因為它們通常都是無用的廢物,更別說用於生產了。至於原有基因錯誤表達,這是有可能的,但同樣通過提取基因組DNA並測序可以解。不過現在,關於基因表達的研究開始考慮到染色體的三維結構,而這三維結構是有可能被改變的。會不會造成影響,會造成什麼樣的影響,現在誰也不知道。

第三,「由前所述細胞組分的網絡關係,這些外源蛋白是否會對細胞的正常代謝造成很大的影響,增加或減少次級代謝產物而不適於人類食用」。這是一個非常好的問題。由於調控網絡的複雜性,牽一髮而動全身非但不是什麼不可能的事情,反而非常常見。舉例來說,將原本豎著放的植物橫著放10分鐘,裡頭的RNA水平就可能有所改變。但我不覺得談到改變就彷彿一定會造成多大的危害。在我看來,一代一代選育優良性狀也好,雜交作物也好,裡面的基因調控網絡的改變不見得會比轉基因造成的改變少。至於這些改變會具體造成什麼影響,當然要具體問題具體分析。事實上,每一種新的轉基因作物進行安全評估的時候也依然要進行這兩方面的檢測。而其他育種方式的「不確定性」即使真的比轉基因小(這個「即使」很可能並不成立,比如怎麼論證誘變育種的「不確定性」比轉基因的小?),因為不對它們進行檢測,所以上市產品的不確定性也完全可能比轉基因的要高。

除了這些分歧之外,我還是同意吳炬老師其他的一些觀點的。比如我贊同不應當在實驗室中廢棄轉基因技術(當然這也是做不到的,不然生物學就無法發展了)、也同意在轉基因食品上市前需要做嚴格的安全性測試。鑑於吳炬老師說「應該鼓勵喜歡的人多吃,這樣可以驗證轉基因食品對人體的不確定性」,我想說包括我在內,我身邊還真有不少朋友願意當這樣的人體小白鼠。只要提供的轉基因食品真實有效,我願意充當這樣的先鋒。

時間與水平有限,討論就到這為止,參考資料的格式沒有統一,也請各位諒解吧。如文中有疏漏與錯誤,還敬請指出。

 

注:我一貫支持「比喻不能替代說理」。因此文中的比喻只是為了方便理解,與本體的邏輯關係或許並非一一嚴格對應。

資料來源:

  1. 轉基因30年實踐——農業部農業轉基因生物安全管理辦公室、中國農業科學院生物技術研究所、中國農業生物技術學會
  2. Intraluminal pH of the human gastrointestinal tract, Fallingborg J, Dan Med Bull. 1999 Jun;46(3):183-96.
  3. Intestinal luminal pH in inflammatory bowel disease: possible determinants and implications for therapy with aminosalicylates and other drugs, S G Nugent, D. Kumar, Gut 2001;48:571-577 doi:10.1136/gut.48.4.571
  4. Bacillus thuringiensis: Mechanisms and Use, A Bravo and M Soberon, Comprehensive Molecular Insect Science. 2005, Elsevier BV, Amsterdam, pp. 175–206
  5. Bacillus thuringiensis: a century of research, development and commercial applications, Georgina Sanahuja, Raviraj Banakar, Richard M. Twyman, Teresa Capell, Paul Christou, Plant Biotechnology Journal (2011) 9, pp. 283–300
  6. Bacterial pore-forming proteins as anthelmintics, Yan Hu and Raffi V. Aroian, Invert Neurosci (2012) 12:37–41
  7. http://www.bt.ucsd.edu/organic_farming.html
  8. Current models of the mode of action of Bacillus thuringiensis insecticidal crystal proteins: A critical review. Vincent Vachon, Raynald Laprade, Jean-Louis Schwartz, Journal of Invertebrate Pathology , 2012

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