春节胖了7天，基因减肥猪了解一下

作者：李琼

编辑：明天

每逢春节胖7天。今天是假期最后一天，减肥眼看着马上就又要成为热门话题了。如何健康地减肥可是一门学问，我就给大家讲一个通过基因编辑的方法培育又瘦又健康的猪的故事，祝新年好身材。

对，你没看错，就是近年来红得发紫的基因编辑系统——CRISPR/Cas9。到底什么是CRISPR/Cas9呢？简单说，相当于一把基因剪刀，可对基因组进行精准的定点修饰。大概就像你在Word文档中进行的插入、删除和替换等操作吧。

CRISPR是广泛存在于细菌及古菌中的一种获得性免疫方式，全名叫“成簇的规律间隔的短回文重复序列”(ClusteredRegularlyInterspacedShortPalindromicRepeats，缩写就是CRISPR)[1,2]。现在常用的CRISPR系统由单链引导RNA和有核酸内切酶活性的Cas9蛋白构成，所以叫做CRISPR/Cas9系统。

CRISPR/Cas9机理图解。通过一段引导RNA（GuideRNA，gRNA）和Cas9蛋白，CRISPR系统可以追踪定位到目标DNA，并敲除或编辑一段DNA序列。图片来源：参考文献[1]

在猪体内有有一种蛋白，叫非偶联蛋白1，简称UCP1（Uncouplingprotein1）。这种蛋白存在于线粒体内膜中，是非震颤产热的关键元素，对于动物机体肥胖的调控起着至关重要的作用。现代家猪在进化过程中丢失了功能性UCP1基因（残留相应假基因，即功能基因的缺陷拷贝,它在序列结构上与功能基因非常相似,但已丧失了正常的蛋白质编码功能），导致体温调节能力较弱，对低温敏感。这不但升高了猪新生儿死亡率，也引发了许多猪的福利问题[3]。因而，为了在家猪体内重建功能性的UCP1，便有了今天这个有料有趣的故事——来自中国科学院动物研究所的郑千涛和同事们，用CRISPR/Cas9系统，编辑了家猪的UCP1基因。

研究人员在猪内源UCP1位点上插入9kb长的脂联素-UCP1基因片段，整合到猪胚胎的成纤维细胞基因组中。然后从确定成功敲入的细胞中筛选出一个作为供体细胞，把它的细胞核移植到去核卵母细胞中，成功地培育出个克隆胚胎。再把这些胚胎转入代孕母猪体内，成功产下12只雄性后代，即为UCP1基因敲入（knockin,KI）猪（以下简称UCP1KI猪）。

生产UCP1KI猪的流程图。Cas9-gRNA质粒和目的载体（含有目的基因UCP1）共转染到猪的胚胎成纤维细胞中进行繁殖并将基因整合成功的细胞核移植到无核卵母细胞中，将胚胎移植到代孕母猪体内，产下基因敲入小猪（knockinpig）。图片来源：参考文献[3]

后来，这12只雄性小猪中的一只还与两只野生型（wild-type，WT）母猪交配，繁殖出了15只后代。这表明了这种CRISPR/Cas9基因工程猪具备了进行种系传递的可行性。

几只UCP1KI猪代表。图片来源：参考文献[3]

那么这些UCP1KI猪与野生型猪相比都有什么啥特点呢？

特点1

UCP1KI猪增强了体温调节能力

研究团队分别测量了1月龄的UCP1KI猪和野生型猪在接受寒冷挑战的过程中，直肠温度随时间的变化。结果显示，野生型猪体温下降更快，2h后虽然有所回升，但依然低于UCP1KI猪。

一个月大的野生型猪（黑色曲线）和KI猪（红色曲线）在接受4h寒冷刺激后直肠温度随时间变化的情况，可以看到KI猪对寒冷耐受性更高。图片来源：参考文献[3]

等猪长到6个月大，研究人员重复了寒冷实验。这次，猪腹侧和背侧等部位的红外热图像结果与1个月大时相一致，均表明UCP1KI猪体表温度更高，更耐寒。这也就意味着，UCP1KI猪可以为了产生热量消耗更多的脂肪。

红外热图像结果。图像摄制于UCP1猪和野生型猪6个月大时，接受寒冷实验后的0h、2h、4h，其中白色虚线内1、2、3区域温度测定结果显示KI猪体温更高。图片来源：参考文献[3]

特点2

UCP1KI猪增强了褐色脂肪燃脂供热的能力

UCP1在褐色脂肪组织中的表达与线粒体的数量和/或功能有着紧密的联系。褐色脂肪组织中存在大量线粒体，正是因为这些线粒体中的UCP1，让褐色脂肪组织能够大量消耗脂肪，给猪的身体提供热量[4]。为研究UCP1异位表达对猪脂肪组织中线粒体功能的影响，研究人员检测了线粒体活性，发现在KI细胞和野生型细胞中基础耗氧率相似，但UCP1基因敲入脂肪细胞最大呼吸量显著增高。表明UCP1异位表达增强了线粒体的备用呼吸容量，有助于增加产热。但与此同时，UCP1KI猪并没有因为增加产热而改变机体活动量或影响其整体能量平衡。

UCP1KI猪（红色）和野生型猪（蓝色）脂肪细胞基础耗氧率无显著差异（左图），但KI猪脂肪细胞最大呼吸量显著高于野生型猪细胞（右图）。OCR指耗氧率。图片来源：参考文献[3]

特点3

UCP1KI猪脂肪沉积少

由于脂肪沉积量是判断猪（猪肉）品质的重要指标，研究人员对UCP1KI猪体内UCP1基因表达是否影响其脂肪沉积量颇感兴趣。实验证明，相比于野生型猪，UCP1KI猪的生长率和饲料转化率均没有显著变化。但是UCP1KI猪在6个月大的时候，瘦肉比例增加，脂肪比例下降了24%，尤其是中背部脂肪的厚度，显著降低。

左图显示了UCP1KI猪（红色）和野生型猪（蓝色）胴体与体重的比例（DP），左半边胴体的瘦肉比例（CLP）和左半边胴体的脂肪比例（CFP）。可以看到两种猪胴体与体重比没有差异，但KI猪相比于野生型猪瘦肉比例高，脂肪比例低。右图比较了KI猪和野生型猪背部脂肪厚度，可见KI猪背部脂肪厚度显著低于野生型猪。图片来源：参考文献[3]

为探究UCP1KI猪为什么会这么瘦，研究人员又专门在透射电子显微镜下仔细观察了野生型猪和UCP1KI猪不同身体部位的脂肪组织。他们发现，UCP1KI猪的脂肪组织中，脂肪细胞相对野生型猪明显更小，且存在许多小脂滴。这些小脂滴表明，UCP1基因敲入的脂肪细胞可能提高了脂肪水解能力。

在电子显微镜下观察到的，用苏木精和伊红染色的野生型猪（WT）和KI猪背部脂肪（backfat），腹股沟下部脂肪（inguinalsubfat）和肾周脂肪（perirenal）细胞。可以看到KI猪脂肪细胞更小（比例尺：5μm）。图片来源：参考文献[3]

野生型猪（WT）和KI猪背部脂肪（backfat），腹股沟下部脂肪（inguinalsubfat）和肾周脂肪（perirenal）细胞透射电镜图片。KI猪细胞中红色箭头所指处有小脂滴。（比例尺：5μm）图片来源：参考文献[3]

看到这里是不是有些小激动？是不是感觉离我们轻松减肥的日子已经不远啦？说不定，在将来，人类也可以尝试通过一些小分子物质或者药物，激活我们体内的UCP1，多燃烧脂肪，减少脂肪沉积，达到轻松瘦身的效果。

不过，如果明天就想减肥，那还是动起来吧！

排版：小米

题图来源：pixabay

参考文献：

1.PennisiE.TheCRISPRcraze[J].Science,,():-.

2.HsuPD,LanderES,ZhangF.DevelopmentandapplicationsofCRISPR-Cas9forgenomeengineering[J].Cell,,(6):-.

3.ZhengQ,LinJ,HuangJ,etal.ReconstitutionofUCP1usingCRISPR/Cas9inthewhiteadiposetissueofpigsdecreasesfatdepositionandimprovesthermogeniccapacity[J].ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences,:07853.

4.李永国,颜忠诚,王德华.人体内褐色脂肪组织及其生理功能[J].生理科学进展,,42(2):-.

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