安格斯牛作为全球最知名的肉牛品种之一,以其卓越的肉质
[1]、高效的繁殖性能
[2]和强大的适应性
[3]成为肉牛产业的标杆。同时,安格斯牛在某些方面存在不足,具体表现为妊娠损失率高
[4]、疾病易感性强
[5]、环境适应性限制大等
[6]。针对安格斯牛现有品种存在的局限性,本研究以肌肉生长抑制素(Myostatin,MSTN)基因为核心靶点,通过基因编辑技术精准调控其表达水平,成功培育出改良型安格斯牛新品系。该品系在保持原始品种优质特性的基础上,展现出显著的生长性能优势,同时大幅缩短了育种周期。这一成果突破了自然突变和传统育种的局限,是现代生物技术在高端肉牛育种领域的创新实践,为培育兼具“双肌”表型与高产优质特性的新型肉牛提供了关键技术支撑
[7-8]。
MSTN作为转化生长因子-β(TGF-β)超家族的核心成员,在骨骼肌发育中发挥关键负调控作用,其表达具有显著的肌肉组织特异性
[9]。该蛋白通过经典分泌途径合成后进入循环系统,通过结合激活素Ⅱ型受体激活下游Smad2/3磷酸化级联反应,进而抑制成肌细胞增殖并促进肌细胞分化终止
[10-11]。进化分析显示,
MSTN基因在脊椎动物中高度保守,提示其在肌肉发育和能量代谢中的基础性作用
[12]。随着多组学技术的突破,
MSTN的功能网络得到深入解析。研究表明,该基因不仅调控肌肉卫星细胞激活
[13],还通过调控PPARγ信号参与脂质代谢稳态
[14]。此外,
MSTN基因敲除小鼠表现出显著的代谢表型改变:其白色脂肪组织重量显著降低,肝脏中的甘油三酯含量降低35%,且对高脂饮食诱导的胰岛素抵抗具有显著抵抗能力
[15]。有研究进一步证实,靶向抑制MSTN可改善患病小鼠的葡萄糖耐量并增强骨骼肌胰岛素敏感性
[16]。
在相同的采食量以及饲喂管理条件下,基因编辑动物展现出显著的肉产量提升和较强的抗病性等诸多优势,这不仅提高了资源利用率,还有效地减少了畜牧养殖对环境造成的负担。迄今为止,众多
MSTN突变动物已被成功培育,例如江苏省农业科学院畜牧研究所利用CRISPR/Cas9技术,于2020年9月获得世界首例
MSTN基因编辑湖羊
[17],其2月龄体重较普通湖羊提高25%。该研究通过基因编辑实现了肌肉生长性能的显著提升。此外,有研究采用显微注射法构建
MSTN敲除兔
[18],成功获得纯合突变体并验证了性状遗传稳定性。然而,当前大量研究主要集中于MSTN的表型特征及其相关分子机制的探索,针对其生物安全性评价的研究却较少。目前尚未见关于
MSTN基因编辑安格斯牛潜在亚慢性毒性风险的系统评价报告。不可忽视的是,在关注基因组编辑动物经济价值的同时,也存在一种担忧:食用基因编辑动物生产的食品可能存在潜在风险,且不同国家对基因编辑食品的监管措施与政策存在差异
[19]。鉴于此,为推动基因编辑大型家畜的商品化进程,并确保此类产品用于人类食用时的安全性,在开发新型基因组编辑相关产品时,必须对其进行全面且严谨的生物安全性评价
[20],从而保证食用该基因编辑动物不会对消费者健康产生任何不良影响。参照欧洲食品安全局建议的对啮齿动物进行为期90天的口服毒性研究
[21],以及国家标准GB 15193.13—2015《食品安全国家标准 90天口服毒性试验》
[22],我们开展了针对昆明白(KM)小鼠的90天亚急性毒性试验,旨在分析
MSTN基因编辑安格斯牛在哺乳动物上的安全性评价。
1 材料与方法
1.1 试验饲料制备
小鼠饲料由北京SPF生物技术有限公司制备,使用野生安格斯牛肉和MSTN基因编辑安格斯牛肉为试验材料(由内蒙古大学实验基地提供),将牛肉研磨成糊状后添加至饲料中,替代部分商品饲料的蛋白质成分。此外,饲料在饲喂之前经60Co辐射灭菌后,符合清洁级小鼠饲料标准。
1.2 试验分组
本试验共分为7组,每组雌雄小鼠各5只。对照组:小鼠标准商品饲料(对照组);WT 10%组:添加野生安格斯型牛肉,替代10%蛋白质的小鼠标准商品饲料;WT 20%组:添加野生安格斯牛肉,替代20%蛋白质的小鼠标准商品饲料;WT 30%组:添加野生型的安格斯牛肉,替代30%蛋白质的小鼠标准商品饲料;MT 10%组:添加MSTN基因敲除的安格斯牛肉替代10%蛋白质含量的小鼠标准商品饲料;MT 20%组:添加MSTN基因敲除的安格斯牛肉,替代20%蛋白质含量的小鼠标准商品饲料;MT 30%组:添加MSTN基因敲除的安格斯牛肉,替代30%蛋白含量的小鼠标准商品饲料。
1.3 试验动物
KM小鼠购自北京SPF生物技术有限公司(实验动物生产许可证号:SCXK(京)2024-0001),4周龄,雌性35只,雄性35只,体重23~28 g。在小鼠抵达后,先放置于动物实验室隔离室适应7 d,放置适应期间每日进行临床观察,随后以每笼5只小鼠按照性别随机分配。小鼠饲养于内蒙古大学实验动物研究中心SPF级实验室,在实验前对整个鼠房进行密闭消毒。饲养环境参数控制为:温度20~24 ℃,相对湿度40%~70%,12 h人工光暗循环。每周更换垫料,共饲养90 d。
1.4 生长性能指标的选取
每周定期记录小鼠体质量、每笼小鼠总的采食量等生长性能指标。
1.5 常规血液检查与血液生化
在试验结束前,小鼠禁食12 h,使用戊巴比妥钠麻醉,眼球采血。收集抗凝血进行临床试验。采用Pentra XL 80(ABX,France)全自动血液分析仪评估血液参数,包括白细胞计数(WBC)、淋巴细胞计数(LYM#)、淋巴细胞百分比(LYM%)、单核细胞计数(MON#)、单核细胞百分比(MON%)、嗜酸性粒细胞计数(EOS#)、嗜酸性粒细胞百分比(EOS%)、嗜碱性粒细胞计数(BAS#)、嗜碱性粒细胞百分比(BAS%)、中性粒细胞计数(NEU#)、中性粒细胞百分比(NEU%)、红细胞计数(RBC)、红细胞压积(HCT)、平均红细胞体积(MCV)、红细胞分布宽度(RDW)、平均红细胞血红蛋白含量(MCH)、平均红细胞血红蛋白浓度(MCHC)、血小板计数(PLT)、血小板压积(PCT)、血小板分布宽度(PDW)、平均血小板体积(MPV)。此外,分出部分血样到不含抗凝剂的试管中,以3 000 r/min离心15 min,得到血清,使用Roche cobas c 311型自动分析仪(Roche Diagnostics,Switzerland)测定小鼠血清获得诸如丙氨酸氨基转移酶(ALT)、天冬氨酸氨基转移酶(AST)、碱性磷酸酶(ALP)、谷氨酰转肽酶(GGT)、总蛋白(TP)、白蛋白(Alb)、尿素(Urea)、肌酸酐(Cr)、葡萄糖(Glu)、总胆固醇(TC)、甘油三酯(TG)、氯化物(Cl)、钾(K)、钠(Na)。
1.6 器官的宏观观察与称重
在喂养的第90 d,使用二氧化碳处死后解剖小鼠进行宏观病理学检查,小心分离其心脏、肝脏、脾脏、肺脏、肾脏、睾丸和卵巢并分别放置于干净的解剖盘中
[23]。使用生理盐水缓慢清洗后仔细观察,随后记录这些器官的质量,并计算其器官系数(器官/体重比)。
1.7 组织病理学分析
将取出的各器官制成石蜡组织切片,用HE常规染色,并在显微镜下进行组织病理学分析,观察试验组与对照组的差异。
1.8 数据统计与分析
本试验的数据分析使用SPSS 27.0统计软件进行,并且所有最终数据的表示格式均为“平均值±标准差(Mean±SD)”。此外,为检验组间差异的显著性,采用单因素方差分析(One-way ANOVA)。使用P<0.05表示差异具有统计学意义。
1.9 伦理声明
本研究中的动物管理和试验操作均获得了内蒙古大学生物医学伦理委员会的批准(批准号:IMU-MOUSE-2024-154),所有试验动物均得到了妥善饲养、喂食、供水和提供垫料。实验室技术人员每天都会进行观察,以确保符合适当的动物护理标准。试验遵循GB/T 39760—2021《实验动物 安乐死指南》进行,所有手术均在戊巴比妥钠麻醉下进行,并使用CO2来杀死小鼠。
2 结果
2.1 生理与临床观察
在试验期间,每日观察2次,各组小鼠都未出现死亡、生病、行动受限等不利情况。此外,各组小鼠被毛状态良好,均未出现脱毛、皮肤坏死等现象;未表现出过敏、瘫痪、过度兴奋、麻痹,对刺激均表现出正常反应;检查眼结膜、巩膜、角膜、晶状体和虹膜均无病变异常。
2.2 体质量与采食量
各试验组与对照组相比,每只小鼠每周平均体质量(
表1)与每笼小鼠采食量(
表2)均未出现统计学差异(
P>0.05)。试验数据证实,添加不同比例的
MSTN基因编辑安格斯牛肉,不会对小鼠的体质量增长及生长性能产生负面影响。
2.3 血常规与血液生化
血液参数(
表3)中,雄性小鼠:MT 30%组(
P=0.004)、WT 30%组(
P=0.013)与对照组的嗜酸性粒细胞计数(EOS#)存在统计学差异,WT 30%组(
P=0.025)与对照组的嗜碱性粒细胞百分比(BAS%)存在统计学差异,各组其他血液指标均无显著差异(
P>0.05);雌性小鼠:MT 20%组(
P=0.014)、WT 10%组(
P=0.003)、WT 20%组(
P=0.043)与对照组的红细胞分布宽度(RDW)存在统计学差异,MT 10%组(
P=0.015)、WT 30%组(
P=0.041)与对照组的平均红细胞血红蛋白浓度(MCHC)存在统计学差异。血液生化(
表4)中,雌性小鼠:WT 10%组(
P=0.026)与对照组的丙氨酸氨基转移酶(ALT)存在统计学差异;雄性小鼠:WT 10%组(
P=0.013)与对照组的总胆固醇(CHL)存在统计学差异,WT 10%组(
P=0.013)、WT 30%组(
P=0.026)与对照组的葡萄糖(GLC)存在统计学差异。分析原始数据得知,部分小鼠的极个别血液指标数值偏离正常范围,导致组内平均值变化显著,进而与对照组产生差异,但这些小鼠的指标仍处于正常范围。综上,所有组别的小鼠血常规数据均在正常范围内,虽然有少数指标存在统计学差异,并且偏离数据表现为野生型和基因编辑组均有分布,表明这些差异可能与牛肉的添加有关。
2.4 器官质量
在雄性小鼠中,各个器官的质量在组间无显著差异(
表5,
P>0.05)。在雌性小鼠中,MT 10%组与对照组的肺脏质量存在显著差异(
P=0.002),WT 30%组与对照组的肾脏(左)存在显著差异(
P=0.039),其他脏器的质量在组间无显著差异(
表5,
P>0.05)。整体来看,尽管雌性小鼠中MG-MT 10%组的肺脏及WT 30%组的肾脏(左)都与对照组存在显著差异,但组内所有小鼠的器官质量无较大偏离,数值在正常范围内。
2.5 大体解剖与组织病理学
所有器官的大小正常、颜色无改变、表面光滑,触摸无结节感,未见出血点、坏死灶、囊肿等肉眼可见的病理变化。显微镜下观察各组小鼠脏器切片结果显示:心脏肌纤维规则排列,无断裂、溶解;横纹完整、连续且均匀,无模糊现象;细胞核位置居中,未见核异常,组织结构无异常改变及纤维化。肝脏未见肝小叶结构紊乱、破坏或溶解;肝细胞核膜清晰,染色质均匀,核仁明显,胞质内物质分布均匀;肝细胞无坏死。肾小球与肾小管组织学形态正常,皮质区无刷状缘脱落、胞质空泡或细胞坏死;内皮细胞完整,无血栓。雄性小鼠生精小管管腔规则、完整,无断裂、扩张或塌陷;间质组织无增生或纤维化;间质内未见炎性细胞浸润或血管扩张。雌性小鼠卵巢样本,无卵母细胞坏死或卵泡退化,未见纤维化、炎性细胞浸润或囊肿形成。所有组织切片镜检均未检测到异常组织或病理变化(
图1和
图2),观察到的差异不具有统计学意义。
3 讨论
在本试验的亚慢性毒性观察周期内,所有试验组小鼠均未出现厌食、腹泻等典型中毒症状,且各组小鼠被毛始终保持光滑整洁,精神状态活跃,日常活动频率及外界刺激反应能力均维持在正常生理水平,未观察到任何异常行为,提示MSTN基因编辑安格斯牛肉的摄入并未对小鼠产生直接的毒性应激反应。
摄食量与体质量变化是评估动物生长发育状态、间接反映机体代谢功能的核心指标。统计分析发现,与对照组相比,试验组小鼠的体质量增长趋势、摄食量均未呈现统计学差异(P>0.05)。这一结果表明,添加MSTN基因编辑安格斯牛肉并未对小鼠的生长性能产生不良干扰。
有毒物质可能会直接导致血细胞的生理活性以及血清的生化指标异常
[24],通过分析血液中红细胞、白细胞、血小板及相关指标,可评估小鼠血液中潜在物质毒性,精确反映小鼠在食用特定饲料后的生理和病理情况
[25]。血液指标中EOS#与BAS%的指标异常可能与过敏、炎症或血液系统异常相关
[26-28],但试验期间每日两次临床观察显示,所有小鼠均无皮肤红肿、抓挠、腹泻等过敏或炎症症状,后续解剖与病理切片也未发现相关病变;RDW反映红细胞分布宽度,MCHC体现红细胞内血红蛋白浓度,二者异常多与贫血或营养代谢相关
[29],但各组小鼠体重增长正常、摄食量稳定,无营养不良表现,且指标数值未超出正常范围,因此排除病理性贫血的可能。
血液生化指标中ALT是揭示肝脏损伤的标志物,肝脏作为核心代谢与解毒器官,其健康状态关乎全身机能稳定,正常生理状态下,血清中ALT含量维持在较低水平
[30]。WT 30%组雄性小鼠ALT仅存在统计学差异,且并未达到肝损伤阈值(超过正常上限2倍)
[31],其余肝脏相关指标(如AST、总蛋白)无异常,说明肝脏代谢功能未受影响;CHL与GLC异常波动多代表着糖脂代谢紊乱
[32],但雌性小鼠无体重异常、血糖波动相关的行为异常,且差异仅存在于WT组,无基因编辑组特异性差异,进一步表明与基因编辑牛肉无关。结合数据分布特征与试验条件综合分析可推测,上述统计学差异的成因可能是由个体差异所致,部分小鼠对饮食的代谢响应存在个体化波动是动物实验中常见的非特异性干扰,此外,从差异组别分布来看,异常指标既存在于野生型牛肉组,也存在于基因编辑牛肉组,这可能提示差异与“牛肉添加”相关,可能是牛肉中某成分对个别小鼠的短期代谢产生了一定影响,且未出现伴随病理症状。综合上述分析可知,尽管部分组别存在个别指标的统计学差异,但是所有组别的血液生理与生化指标数值均处于小鼠正常生理范围,且无组间特异性,也未伴随临床症状或病理改变,因此可排除饲喂
MSTN基因编辑安格斯牛肉对小鼠血液系统、肝脏代谢及糖脂代谢产生负面影响的可能,这也进一步揭示了基因编辑食品在亚慢性暴露水平的安全性。
90天亚慢性毒性试验结束后,对所有试验组及对照组小鼠进行标准化胸腹部大体解剖,结合脏器称重与组织病理学检查,系统评估受试物对小鼠主要脏器的潜在毒性影响。解剖后,进行宏观的器官形态观察,各组小鼠的器官形态大小、颜色、质地都正常,未观察到任何病理性改变,各组小鼠肝脏均呈均匀红褐色,表面光滑,边缘锐利,无明显血点、脂肪肝等病理性变化;肾脏双侧对称分布,呈暗红色、蚕豆状,表面无凹陷,分界清晰、无炎性渗出物;心脏均为圆锥形,心外膜光滑有光泽,心腔无扩张,心内膜无出血,冠状动脉走行正常;肺呈粉红色海绵状,质地柔软有弹性,按压后可恢复原状,无明显异常分泌物;脾脏表面光滑,呈暗紫红色,分界清晰,无肿大及萎缩症状;雄性小鼠双侧睾丸呈椭圆形,乳白色有光泽,附睾饱满;雌性小鼠卵巢呈淡黄色扁圆形,用放大镜观察表面无囊肿。
截至目前,国内外公开文献检索结果显示,未见
MSTN基因编辑安格斯牛肉对小鼠饲喂安全性评价的相关报道,本研究首次填补了这一研究空白。在90天亚慢性毒性试验中,通过对KM小鼠的一般毒性反应、生长性能、血液指标、血液生化指标及主要脏器形态学的系统检测,结果表明
MSTN基因编辑安格斯牛肉在亚慢性毒性试验中表现出良好的安全性。此外,
MSTN与
FGF5双敲除羊肉饲喂Wistar大鼠与
MSTN基因编辑猪肉90天饲喂大鼠等研究与本研究结果较为接近
[33-34]。
为进一步完善MSTN基因编辑安格斯牛肉的安全性评价体系,弥补当前亚慢性毒性试验90天在暴露时长的局限性,本研究团队已制定多个后续研究方案,如:急性毒性试验,观察KM小鼠在24 h至14 d内的急性毒性反应;长期慢性毒性研究,设计为小鼠的半个生命周期的慢性毒性试验,尝试从毒性的累积、衰老等方面进行切入,为该食品的长期食用安全性提供核心数据支撑;此外考虑进行血清代谢组学分析以及MSTN基因编辑安格斯牛肉的营养特性系统评估等,这些后续研究不仅可以进一步补充MSTN基因编辑安格斯牛肉的安全性结论,还将为其在人类饮食中的安全合理应用奠定科学基础。
4 结论
本研究结果显示,雌雄各组的试验小鼠均未出现不良反应。本试验除饲料类型不同,尽量保证其他因素保持一致。数据分析表明,各组小鼠的周增重与周摄食量无显著差异性;与商品饲料对照组相比,MSTN基因编辑安格斯牛肉饲喂组的小鼠在血液指标、血清代谢组学分析及脏器相对重量方面虽存在部分统计学差异,但这些差异均处于正常生理范围内,因此我们认为其更可能源于小鼠自然个体差异,而非直接由饮食因素导致。此外,器官组织病理学切片检查未发现与饮食相关的异常变化。综合结果表明,观察到的差异与长期饲喂含MSTN基因编辑安格斯牛肉的饲料无直接关联。
新疆维吾尔自治区揭榜挂帅项目(2023A02011-1-6)