每逢春節(jié)胖7天。今天是假期最后一天，減肥眼看著馬上就又要成為熱門話題了。如何健康地減肥可是一門學(xué)問，我就給大家講一個(gè)通過基因編輯的方法培育又瘦又健康的豬的故事，祝新年好身材。

對，你沒看錯(cuò)，就是近年來紅得發(fā)紫的基因編輯系統(tǒng)——CRISPR/Cas9。到底什么是CRISPR/Cas9呢？簡單說，相當(dāng)于一把基因剪刀，可對基因組進(jìn)行精準(zhǔn)的定點(diǎn)修飾。大概就像你在Word文檔中進(jìn)行的插入、刪除和替換等操作吧。

CRISPR是廣泛存在于細(xì)菌及古菌中的一種獲得性免疫方式，全名叫“成簇的規(guī)律間隔的短回文重復(fù)序列”(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats，縮寫就是CRISPR)[1,2]?，F(xiàn)在常用的CRISPR系統(tǒng)由單鏈引導(dǎo)RNA和有核酸內(nèi)切酶活性的Cas9蛋白構(gòu)成，所以叫做CRISPR/Cas9系統(tǒng)。

CRISPR/Cas9機(jī)理圖解。通過一段引導(dǎo)RNA（Guide RNA，gRNA）和Cas9蛋白，CRISPR系統(tǒng)可以追蹤定位到目標(biāo)DNA，并敲除或編輯一段DNA序列。 圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]

在豬體內(nèi)有有一種蛋白，叫非偶聯(lián)蛋白1，簡稱UCP1（Uncoupling protein1）。這種蛋白存在于線粒體內(nèi)膜中，是非震顫產(chǎn)熱的關(guān)鍵元素，對于動(dòng)物機(jī)體肥胖的調(diào)控起著至關(guān)重要的作用?，F(xiàn)代家豬在進(jìn)化過程中丟失了功能性UCP1基因（殘留相應(yīng)假基因，即功能基因的缺陷拷貝,它在序列結(jié)構(gòu)上與功能基因非常相似,但已喪失了正常的蛋白質(zhì)編碼功能），導(dǎo)致體溫調(diào)節(jié)能力較弱，對低溫敏感。這不但升高了豬新生兒死亡率，也引發(fā)了許多豬的福利問題[3]。因而，為了在家豬體內(nèi)重建功能性的UCP1，便有了今天這個(gè)有料有趣的故事——來自中國科學(xué)院動(dòng)物研究所的鄭千濤和同事們，用CRISPR/Cas9系統(tǒng)，編輯了家豬的UCP1基因。

研究人員在豬內(nèi)源UCP1位點(diǎn)上插入9 kb長的脂聯(lián)素-UCP1基因片段，整合到豬胚胎的成纖維細(xì)胞基因組中。然后從確定成功敲入的細(xì)胞中篩選出一個(gè)作為供體細(xì)胞，把它的細(xì)胞核移植到去核卵母細(xì)胞中，成功地培育出2553個(gè)克隆胚胎。再把這些胚胎轉(zhuǎn)入代孕母豬體內(nèi)，成功產(chǎn)下12只雄性后代，即為UCP1基因敲入（knock in, KI）豬（以下簡稱UCP1 KI豬）。

生產(chǎn)UCP1 KI豬的流程圖。Cas9-gRNA質(zhì)粒和目的載體（含有目的基因UCP1）共轉(zhuǎn)染到豬的胚胎成纖維細(xì)胞中進(jìn)行繁殖并將基因整合成功的細(xì)胞核移植到無核卵母細(xì)胞中，將胚胎移植到代孕母豬體內(nèi)，產(chǎn)下基因敲入小豬（knock in pig）。 圖片來源：參考文獻(xiàn)[3]

后來，這12只雄性小豬中的一只還與兩只野生型（wild-type，WT）母豬交配，繁殖出了15只后代。這表明了這種CRISPR/Cas9基因工程豬具備了進(jìn)行種系傳遞的可行性。

幾只UCP1 KI豬代表。 圖片來源：參考文獻(xiàn)[3]

那么這些UCP1 KI豬與野生型豬相比都有什么啥特點(diǎn)呢？

研究團(tuán)隊(duì)分別測量了1月齡的UCP1 KI豬和野生型豬在接受寒冷挑戰(zhàn)的過程中，直腸溫度隨時(shí)間的變化。結(jié)果顯示，野生型豬體溫下降更快，2h后雖然有所回升，但依然低于UCP1 KI豬。

一個(gè)月大的野生型豬（黑色曲線）和KI豬（紅色曲線）在接受4h寒冷刺激后直腸溫度隨時(shí)間變化的情況，可以看到KI豬對寒冷耐受性更高。 圖片來源：參考文獻(xiàn)[3]

等豬長到6個(gè)月大，研究人員重復(fù)了寒冷實(shí)驗(yàn)。這次，豬腹側(cè)和背側(cè)等部位的紅外熱圖像結(jié)果與1個(gè)月大時(shí)相一致，均表明UCP1 KI豬體表溫度更高，更耐寒。這也就意味著，UCP1 KI豬可以為了產(chǎn)生熱量消耗更多的脂肪。

紅外熱圖像結(jié)果。圖像攝制于UCP1豬和野生型豬6個(gè)月大時(shí)，接受寒冷實(shí)驗(yàn)后的0h、2h、4h，其中白色虛線內(nèi)1、2、3區(qū)域溫度測定結(jié)果顯示KI豬體溫更高。 圖片來源：參考文獻(xiàn)[3]

UCP1在褐色脂肪組織中的表達(dá)與線粒體的數(shù)量和/或功能有著緊密的聯(lián)系。褐色脂肪組織中存在大量線粒體，正是因?yàn)檫@些線粒體中的UCP1，讓褐色脂肪組織能夠大量消耗脂肪，給豬的身體提供熱量[4]。為研究UCP1異位表達(dá)對豬脂肪組織中線粒體功能的影響，研究人員檢測了線粒體活性，發(fā)現(xiàn)在KI細(xì)胞和野生型細(xì)胞中基礎(chǔ)耗氧率相似，但UCP1基因敲入脂肪細(xì)胞最大呼吸量顯著增高。表明UCP1異位表達(dá)增強(qiáng)了線粒體的備用呼吸容量，有助于增加產(chǎn)熱。但與此同時(shí)，UCP1 KI豬并沒有因?yàn)樵黾赢a(chǎn)熱而改變機(jī)體活動(dòng)量或影響其整體能量平衡。

UCP1 KI豬（紅色）和野生型豬（藍(lán)色）脂肪細(xì)胞基礎(chǔ)耗氧率無顯著差異（左圖），但KI豬脂肪細(xì)胞最大呼吸量顯著高于野生型豬細(xì)胞（右圖）。OCR指耗氧率。 圖片來源：參考文獻(xiàn)[3]

由于脂肪沉積量是判斷豬（豬肉）品質(zhì)的重要指標(biāo)，研究人員對UCP1 KI豬體內(nèi)UCP1基因表達(dá)是否影響其脂肪沉積量頗感興趣。實(shí)驗(yàn)證明，相比于野生型豬，UCP1 KI豬的生長率和飼料轉(zhuǎn)化率均沒有顯著變化。但是UCP1 KI豬在6個(gè)月大的時(shí)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，顯著降低。

左圖顯示了UCP1 KI豬（紅色）和野生型豬（藍(lán)色）胴體與體重的比例（DP），左半邊胴體的瘦肉比例（CLP）和左半邊胴體的脂肪比例?？梢钥吹絻煞N豬胴體與體重比沒有差異，但KI豬相比于野生型豬瘦肉比例高，脂肪比例低。右圖比較了KI豬和野生型豬背部脂肪厚度，可見KI豬背部脂肪厚度顯著低于野生型豬。 圖片來源：參考文獻(xiàn)[3]

為探究UCP1 KI豬為什么會這么瘦，研究人員又專門在透射電子顯微鏡下仔細(xì)觀察了野生型豬和UCP1 KI豬不同身體部位的脂肪組織。他們發(fā)現(xiàn)，UCP1 KI豬的脂肪組織中，脂肪細(xì)胞相對野生型豬明顯更小，且存在許多小脂滴。這些小脂滴表明，UCP1 基因敲入的脂肪細(xì)胞可能提高了脂肪水解能力。