又说转基因作物安全吗?

中国教育装备采购网2013-06-19 17:33围观1693次我要分享

  作者冷月如霜,来自科学松鼠会。讨论关于转基因作物的文章,言辞谦和,论据有力,作为一个有基本常识的人和转基因作物的非抵制者,小编个人十分欣赏此文及此文作者冷月如霜老师。

  科学网吴炬老师的《一片乱象——转基因作物的不确定性》一文,是我现在看到的所有质疑转基因作物的文章中,水平最高的一篇。这样以科研论文为依据的质疑,也正是讨论转基因作物安全性所必需的。不过在我看来,文中的一些观点有待商榷,这里也不妨谈一下自己的观点,若有不对,还请指正。

  在目前带有抗虫基因的转基因作物中,转入合成BT蛋白的基因的作物占了很大一部分[1],这也是吴炬老师文中所讨论的毒素。简要说来,BT蛋白是一种细菌中合成的一类蛋白质(BT是这个细菌学名的缩写),一些鳞翅目(比如蛾子,蝴蝶)、双翅目(比如蚊子)、或鞘翅目(比如甲虫)的幼虫食用了这些蛋白后会造成消化道上皮细胞穿孔,影响一系列生理活动而死亡。很多人关心含有BT蛋白的转基因作物的一个主要问题就是——既然BT蛋白能杀死这些幼虫,那么同样的毒性是否会造成人的消化道上皮细胞穿孔呢?

  目前为止,学界的答案是否定的,理由有三。其一,BT蛋白需要在碱性的环境下才能溶解并正常工作。这些幼虫的消化道内的环境为碱性,但人体消化道的环境却大多为酸性,仅在回肠末端出现了弱碱性的环境[2][3](并非医学专业,倘若所引资料有误还请指正)。如果这些蛋白不被顺利溶解的话,是连蛾、蝶的幼虫也杀不死的[4]。

  其二,碱性环境虽是必须,但却仍不足以让BT蛋白发挥出其活性。在碱性环境下,这些BT蛋白还需要经过蛋白酶“切上一刀”,才算被正式激活。做个不算非常恰当的比喻,有些电影你不剪掉一点片段,是无法上映的。这些蛋白酶有着较高的物种特异性,在蝴蝶体内存在的蛋白酶,在甲虫体内未必存在。只有当特异的蛋白酶存在时,BT蛋白才会显现出毒性。

  其三,这些“动过手术”后的BT蛋白只有结合在上皮细胞的受体后,才会启动一系列的反应,使上皮细胞的细胞膜穿孔,并最终导致幼虫的死亡。这个蛋白与受体的结合也是高度特异的。再拿电影举个并不是百分百契合的例子,如果剪出来的片子是动画片,那么就应该投送儿童频道;剪出来的片子是纪录片,那么就应该投送记录频道。正是因为“碱性环境,特异性蛋白酶和特异性受体”这三者缺一不可的组合,才让目前的学界认为作为杀虫剂的BT蛋白对脊椎动物来说是安全无毒性的[5]。

  正因为如此,在2012年发表的一篇论文中,已经有实验室开始考虑使用BT蛋白杀死人类肠道中寄生虫的可能,并已经在小鼠中取得结果[6]。此外,在大家的心目中有机食品已经成了天然食品的代名词,似乎与转基因作物水火不可两立。但实际上,在有机农场里喷洒含有BT蛋白的杀虫剂的做法相当常见,已经沿用了50多年[7]。

  讨论过BT蛋白的毒理与安全之后,我来提一下与吴炬老师观点的不同之处。吴炬老师在他的文章中说他在一篇论文中发现“在这个实验中,证实了Cry蛋白可以与牛、猪的BBMV的结合”。我个人对此持保留意见。

  首先,原始实验的一个主要做法是CPT。简要说来,游离的BT蛋白与BBMV混合后进行高速离心。原作者认为与BBMV结合的BT蛋白会沉在离心管的底端,然后通过常规的蛋白胶电泳和western-blot就能测试BT蛋白与BBMV是否能够结合。但这是一个非常粗糙的方法。在这个方法中,蛋白很容易会发生非特异性的结合。在我的一次CPT实验中,原本应当是负对照GFP在经过western-blot后也显示出了条带,事后的分析显示GFP可以和离心管壁发生结合而吸附在上头!因此在我看来,由于没有给出负对照蛋白与BBMV结合与否的图片,文中这个实验方法并没有说服力。其次,即便这个实验中BT蛋白确实与BBMV发生了结合,也不能说明什么问题。吴老师所提到差异不明显的结果(3.2(蚕)对1.9(猪),的确相当接近)是BIAcore的结果,而文中同一段还展示了共沉淀的western结果,虫与哺乳动物的条带差异非常明显,而那篇论文的最终结论,用吴老师自己的话描述,“……看到一篇报道涉及Cry蛋白对哺乳动物小肠上皮细胞的实验,说Bt蛋白不影响小肠上皮细胞的膜完整性。”也就是说,该论文的观点是支持BT蛋白对人无毒性的。

  不过吴炬老师自己也说了,“在Cry蛋白的毒性作用中,最关键的并不是Cry蛋白与小肠上皮细胞刷状缘囊泡(BBMV)的结合,而是结合钙黏蛋白样受体后,促进了Mg2+依赖的信号途径,从而使得细胞死亡”。在这里,我同意前半句,不同意后半句。结合受体后的具体途径目前有两种模型,Mg2+只是其中的一种,而这两种模型并没有得到很好的区分[8]。不过这一点瑕不掩瑜,吴炬老师可能只是一时笔误,因为他自己在后面也提到 “在已看到的资料中,Cry蛋白一定会与哺乳动物小肠细胞接触,但是毒理学研究却呈现不同的理论。一是受体-信号理论,即Cry蛋白结合受体后,由受体导致Mg2+依赖的信号途径,激活胞内凋亡信号,从而杀伤细胞;二是成孔蛋白理论,即Cry蛋白本身,由受体促进水解,成熟蛋白寡聚,在细胞膜上形成孔道,造成渗透压shock”。

  在提到BT蛋白受体时,吴炬老师说它们“均来自昆虫,属于钙黏蛋白样受体(Cadherin-like receptor)。而哺乳动物中大量存在不同类型的钙黏蛋白,未知是否能够参与Bt蛋白的细胞毒性功能,这方面的研究报告很少”。我在下午尝试搜索了一下,或许是我设置的关键词不对,搜出来的论文有很多,但却没找到详尽分析哺乳动物的蛋白是否能够参与BT蛋白毒性功能的论文,所以目前为止我同意说“这方面我能找到的研究报告很少”。但我不是很同意吴炬老师的推论。在我的理解中,吴炬老师是想暗示说由于动物中有着大量不同类型的钙黏蛋白,所以有可能会出现一些能够结合BT蛋白的受体,使BT蛋白在人体中表现出毒性,造成安全上的不确定性(当然,如果吴老师没有那个意思,就当我这段话是废话好了)。我的反对意见如下:在BT蛋白结合受体前,需要通过蛋白酶的“切一刀”才能表现出活性(参见上文中BT蛋白毒理的第二条),即便吴老师发问说“哪种细胞没有钙黏蛋白?哪个组织没有碱性磷酸酶?”,我也还是坚持说这些蛋白酶是有特异性的。如果人体中没有这些蛋白酶,那么出现这些受体又怎样呢?何况目前学界普遍认为人体中没有这类受体。此外,吴老师在下文中也提到“比如Cry1Ab与Cry1Ac,尽管序列相似度很高,但却可能通过不同机制作用目标昆虫的中肠细胞[11],不同受体对不同Cry蛋白的亲和力不同”。我同意这一点,受体也是有特异性的。但在我看来,虽不能说人体里肯定没有能与BT蛋白相结合的受体,但从人类与昆虫的亲缘关系看,在确凿发现某个受体与BT蛋白能够结合之前,我倾向于认为人体里不存在这个受体(当然我的这个观点没有定论,欢迎讨论)我搜索了和蛋白酶/受体特异性相关的论文,并没有找到什么支持我,或者支持吴老师的证据,因此反对归反对,我不能说吴老师肯定错,也不能说肯定对。为了让吴老师心安,我觉得在分析完人体内所有的蛋白酶能否切割BT蛋白,以及所有的受体能否结合活性BT蛋白之前,这个问题是没有定论的,需要时间和更多的研究。

  谈完BT蛋白的毒理与安全性,我们再来看看转基因技术的理论是否成熟吧。吴老师说“被转入真核生物的基因没有相应的 纠错机制,如果算突变机率,则被转入的这段基因的突变机率将高于基因组的其它部分”。我不知道您说这话的依据是什么。转进去的基因需要整合到基因组里面才能起作用,转进去的基因已经成为基因组的一部分了,和基因组的其他部分没有区别。DNA聚合酶带有“校对”的功能,能够检查新复制的DNA链上是否有错读;Photolyse可以切掉聚合的T;Endonuclease可以切掉错配的碱基;Helicase可以把整段错配的DNA给切下来。吴老师是认为由于转入的基因原本属于原核生物,它就不经过真核生物细胞内的一系列防错设施了吗?还是说由于吴老师觉得转入的基因没有内含子,所以就不享受真核生物细胞内的福利呢?其他我不敢说,不过要知道,模式植物拟南芥中没有内含子的植物基因可不少呢……依我看,我认为这些基因依旧享有真核生物的纠错机制。

  关于吴老师提出的转基因对植物基因组的影响,我也有些不同的观点。

  吴老师提出了三个问题。第一,“它本身插入的位置,是否会因为上、下游核苷酸而产生移码突变,造成启动子失灵或终止子失灵”。我的回答是启动子(promoter)和终止子(terminator)没有移码突变,因为它们不编码。如果吴老师说的启动子和终止子是指“起始密码子”和“终止密码子”,提的问题是这个基因能否顺利开始转录和停止翻译,那么这个问题只要通过提取基因组DNA并测序就能解决,在我手里前后不过两天的时间。

  第二,“这样无数段人造基因插入是否会破坏植物基因组结构,使原有基因产生错误表达?从而产生不希望的甚至有毒害的物质”。我的回答是转基因作物一般都需要确认单拷贝插入。事实上,我们追求单拷贝插入,是因为多拷贝容易造成共抑制,导致沉默,所以单拷贝插入通常是表达量最高的。无数拷贝插入的情况首先就过不了研发关,因为它们通常都是无用的废物,更别说用于生产了。至于原有基因错误表达,这是有可能的,但同样通过提取基因组DNA并测序可以解。不过现在,关于基因表达的研究开始考虑到染色体的三维结构,而这三维结构是有可能被改变的。会不会造成影响,会造成什么样的影响,现在谁也不知道。

  第三,“由前所述细胞组分的网络关系,这些外源蛋白是否会对细胞的正常代谢造成很大的影响,增加或减少次级代谢产物而不适于人类食用”。这是一个非常好的问题。由于调控网络的复杂性,牵一发而动全身非但不是什么不可能的事情,反而非常常见。举例来说,将原本竖着放的植物横着放10分钟,里头的RNA水平就可能有所改变。但我不觉得谈到改变就仿佛一定会造成多大的危害。在我看来,一代一代选育优良性状也好,杂交作物也好,里面的基因调控网络的改变不见得会比转基因造成的改变少。至于这些改变会具体造成什么影响,当然要具体问题具体分析。事实上,每一种新的转基因作物进行安全评估的时候也依然要进行这两方面的检测。而其他育种方式的“不确定性”即使真的比转基因小(这个“即使”很可能并不成立,比如怎么论证诱变育种的“不确定性”比转基因的小?),因为不对它们进行检测,所以上市产品的不确定性也完全可能比转基因的要高。

  除了这些分歧之外,我还是同意吴炬老师其他的一些观点的。比如我赞同不应当在实验室中废弃转基因技术(当然这也是做不到的,不然生物学就无法发展了)、也同意在转基因食品上市前需要做严格的安全性测试。鉴于吴炬老师说“应该鼓励喜欢的人多吃,这样可以验证转基因食品对人体的不确定性”,我想说包括我在内,我身边还真有不少朋友愿意当这样的人体小白鼠。只要提供的转基因食品真实有效,我愿意充当这样的先锋。

  时间与水平有限,讨论就到这为止,参考资料的格式没有统一,也请各位谅解吧。如文中有疏漏与错误,还敬请指出。

  注。我一贯支持“比喻不能替代说理”。因此文中的比喻只是为了方便理解,与本体的逻辑关系或许并非一一严格对应。

  参考资料

  [1] 转基因30年实践——农业部农业转基因生物安全管理办公室、中国农业科学院生物技术研究所、中国农业生物技术学会

  [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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