随着生命科学和生物技术的不断进步，基因编辑技术已经成为一种强大的工具，用于疾病研究、治疗和防疫工作。在动物疾病模型的构建和应用中，基因编辑技术为研究人员提供了独特的机会，以深入了解疾病的发病机制，开发新的治疗方法，以及改进防疫措施。本文将着重讨论基因编辑技术在牛羊大牲畜领域的应用，特别是在布病、口蹄疫等常见疾病的研究和防疫工作中的作用。

1、基因编辑技术概述

基因编辑技术是一项革命性的生物技术，它使研究人员能够有针对性地修改生物体的遗传信息，包括基因组中的特定基因。这一领域的迅速发展已经引起了广泛的科研兴趣，因为它在许多生物医学研究和应用领域都具有潜力。其中，CRISPR-Cas9、TALENs和ZFNs等工具和技术已经成为基因编辑领域的主要利器。

CRISPR-Cas9(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats和CRISPR-associated protein 9）技术是目前最常用的基因编辑工具之一。它借鉴了自然界中一种细菌的免疫系统，可以精确地切割DNA分子。CRISPR-Cas9系统由2部分组成：CRISPR序列和Cas9蛋白。CRISPR序列是一系列短重复序列，它们以间隔的方式分布在细菌基因组中，记录了以前遇到的病毒和其他入侵性DNA片段。Cas9蛋白则是一种”剪刀”，它能识别并切割与CRISPR序列中储存的DNA序列相匹配的目标DNA。这使研究人员可以通过设计合适的引导RNA来将Cas9引导到特定的基因，然后进行切割和编辑。TALENs(Transcription Activator-Like Effector Nucleases）是另一种用于基因编辑的工具，它由一种植物致病菌产生的蛋白质组成。这些蛋白质具有与DNA特定序列结合的能力，因此可以被用来设计一种定制的DNA识别工具。研究人员可以将TALENs与核酸内切酶（nuclease）相结合，使其能切割并编辑基因组中的特定DNA序列。ZFNs(Zinc Finger Nucleases）则是第1代定制的DNA编辑工具，它们由一种含锌的蛋白质组成，这些蛋白质可以与特定的DNA序列结合。通过将ZFNs设计成与目标基因的DNA序列匹配，研究人员可以引导它们到目标位点，并使用DNA修复机制来实现编辑。

基因编辑技术的应用领域广泛，包括但不限于以下几个方面：①基础研究。基因编辑技术为研究人员提供一种独特的方式来理解基因的功能。通过敲除、修饰或添加基因，科学家可探索特定基因对生物体生长、发育、健康和疾病的影响。②疾病模型构建。基因编辑技术允许研究人员构建动物模型，模拟人类疾病的发展过程。这些模型对于疾病机制的研究、新药筛选和治疗方法的开发至关重要。③基因治疗。基因编辑技术为基因治疗提供一种新的可能性。通过修复或替代有缺陷的基因，它可以用于治疗一些遗传性疾病。④农业和食品生产。基因编辑技术可以用于改进农作物和家畜的特性，提高农业生产的效率和可持续性。这对于粮食生产、抗病性和养殖业都具有重要意义。⑤生殖医学。在生育和生殖医学领域，基因编辑技术有望帮助处理一些遗传性疾病，并可能对人类胚胎的基因编辑产生影响。基因编辑技术已经引起了生物医学领域的革命性变革。它提供了一种精确、高效的方法来修改基因组，对于科学研究、医学应用和农业生产都有巨大潜力。然而，随着这一技术的发展，也需要严格的伦理规范和监管，以确保其应用是安全和合理的。未来，基因编辑技术将继续发展，为人类社会带来更多创新和进步[1]。

2、常见动物疾病类型

在牛羊大牲畜领域，一些疾病对畜牧业产生重要的影响。如布病、口蹄疫以及小反刍兽疫，探讨它们的病原体、传播途径、临床症状以及目前的防控措施。了解这些疾病的特点对于基因编辑技术的应用至关重要，因为它们为构建相关疾病模型提供了基础知识。

2.1 布鲁氏杆菌病

布氏杆菌病又称布病，是一种由布氏杆菌引起的传染性疾病，主要影响牛、羊和其他反刍动物。病原体布氏杆菌属于细菌科中的布鲁菌科，包括多种不同的亚种。该病的传播途径主要包括经口摄入、粘膜接触和呼吸道暴露。病原体可以通过分娩、乳汁、尿液等体液传播给其他动物或人类。布病的临床症状包括高烧、关节炎、脱水、乳房肿胀、流产等，对动物的健康和生产性能造成重大影响。在畜牧业中，预防和控制布病是至关重要的，通常采用疫苗接种、隔离患病动物、检疫等方法。基因编辑技术可以用来研究病原体与宿主之间的相互作用，构建布病模型，以进一步了解该疾病的发病机制，并寻求新的防控方法。

2.2 口蹄疫

口蹄疫是一种高度传染的疾病，影响牛、羊、猪等反刍动物。疾病的病原体是口蹄疫病毒，主要通过飞沫、体液以及被感染的动物、人员、车辆等介导传播。口蹄疫的特征症状包括发热、口腔溃疡、蹄部病变，严重情况下会导致生产力下降和肉类质量降低。这对养殖业和肉类生产构成威胁。目前，口蹄疫的防控主要依赖于疫苗接种、动物隔离和灭活病毒等措施。基因编辑技术可以用来构建口蹄疫疾病模型，以研究病毒与宿主之间的相互作用、发病机制，帮助改进疫苗设计和开发新的防控策略。

2.3 小反刍兽疫

小反刍兽疫是一种由小反刍兽疫病毒引起的疾病，主要影响家畜中的反刍动物，如牛、羊和骆驼。该病的传播途径包括蚊虫叮咬、直接接触感染动物和通过母乳传播。临床症状包括发热、关节炎、呼吸困难、流产等。小反刍兽疫对养殖业和畜牧业造成重大经济损失。目前，防控措施主要包括疫苗接种、蚊虫控制和患病动物的隔离。基因编辑技术可以用于构建小反刍兽疫疾病模型，研究病毒的传播和宿主免疫反应，有望为新的防控策略提供有力的支持[2]。

3、基因编辑构建疾病模型的方法

基因编辑技术的应用在构建疾病模型中提供多种强大的方法，以模拟特定疾病的发展过程。这些方法使科学家能深入研究疾病的发病机制、评估潜在治疗策略，并进行新药的筛选。在牛羊大牲畜领域，这些技术对于研究与布病、口蹄疫等相关的疾病非常重要。以下是几种常见的方法，用于基因编辑构建疾病模型。

3.1 基因敲除模型

基因敲除是一种重要的方法，用于构建疾病模型以深入研究与疾病相关的基因。这一方法利用基因编辑技术，特别是CRISPR-Cas9，来有针对性地删除或重大修改与疾病发展密切相关的基因。在构建基因敲除模型时，科学家首先确定与特定疾病或疾病特征有关的目标基因。这些基因可能是疾病的致病基因，或者它们可能对疾病的发展有关键作用。在牛羊大牲畜领域，这些目标基因可能与布病、口蹄疫或其他疾病相关。一旦确定目标基因，研究人员设计特定的引导RNA序列，这些序列将与CRISPR-Cas9系统中的Cas9蛋白结合，以指导Cas9精确地定位到目标基因的特定位点。引导RNA的设计是基因敲除成功的关键一步。引导RNA与Cas9蛋白结合后，Cas9蛋白将被引导到目标基因的特定区域，并引发DNA的双链断裂。细胞中的修复机制会尝试修复这些断裂，但通常会引起错误的插入或缺失，最终导致目标基因的功能丧失。这意味着目标基因将无法正常表达或发挥其作用，因此实现了基因敲除。一旦目标基因被敲除，科学家可以使用这一模型来模拟与特定疾病相关的病理过程。在布病研究中，敲除与布氏杆菌感染和生长有关的基因可以帮助研究人员了解该疾病的发展过程，从感染到临床症状的出现。基因敲除模型还提供了研究与特定疾病相关基因功能的机会。科学家可以比较敲除基因的模型与正常动物的表现，以深入了解这些基因在疾病发展中的作用。这有助于揭示基因与疾病之间的关系，为治疗和预防提供了新的线索。基因敲除模型是构建疾病模型的有力工具，可帮助科学家更好地了解疾病的发病机制、病程和临床症状。这有助于加深对疾病的认识，为新的治疗方法的研发提供基础。在牛羊大牲畜领域，这些模型对于研究与布病、口蹄疫等相关的疾病具有重要意义，有望为相关领域的科学发展和创新提供新的机会。

3.2 基因修饰模型

基因修饰是一种用于构建疾病模型的方法，其中研究人员通过基因编辑技术有针对性地修改已知与疾病相关的基因，以模拟疾病的发展过程。这一方法允许科学家更精确地探究与特定疾病相关的基因如何影响疾病的发病机制、临床表现和疾病的传播。在构建基因修饰模型时，科学家首先确定与特定疾病或疾病特征相关的目标基因。这些基因可能是致病基因，也可能是宿主基因，对疾病的感染或发展有关键作用。在牛羊大牲畜领域，这些目标基因可能与口蹄疫或其他疾病的发展和传播相关。一旦确定目标基因，研究人员设计特定的基因修饰策略。这可以包括引入点突变、插入、删除或替代特定DNA序列，以改变基因的结构或功能。在口蹄疫研究中，科学家可以设计引入宿主基因的特定点突变，以增加对口蹄疫病毒的感染性或加重疾病症状。同时，基因编辑技术，如CRISPR-Cas9，用于实施设计的基因修饰策略。通过引导RNA的设计，科学家可将Cas9蛋白引导到目标基因的特定区域，然后进行精确的DNA修饰。这可能包括插入或删除碱基对，改变蛋白质编码序列，或引入点突变。

一旦基因修饰完成，科学家可以使用这一模型来模拟与特定疾病相关的病理过程。在口蹄疫研究中，通过修改宿主基因，科学家可以模拟更容易感染或更严重的疾病症状。这有助于深入了解宿主与病原体之间的相互作用以及疾病的发病机制。此外，基因修饰模型还提供了研究与特定疾病相关的基因功能的机会。通过比较基因修饰模型与正常动物的表现，科学家可以深入了解这些基因在疾病发展中的作用，从而揭示基因与疾病之间的关系。基因修饰模型为科学家提供了精确控制的工具，以模拟与特定疾病相关的基因如何影响疾病的发展过程。这有助于深入了解疾病的发病机制，为治疗和防控策略的开发提供新的线索。在牛羊大牲畜领域，这些模型对于研究与口蹄疫等相关的疾病具有重要意义，有望为相关领域的科学发展和创新提供新的机会[3]。

3.3 疾病模拟模型

疾病模拟是一种构建疾病模型的方法，它通过直接引入疾病相关的病原体或诱导特定病理过程，以模拟疾病的发展过程。该方法结合了传统的疾病模型构建技术和基因编辑技术，为深入研究疾病的传播途径、病理过程和临床症状提供了有力工具。在构建疾病模拟模型时，科学家首先确定他们希望研究的特定疾病或疾病特征。这可以包括感兴趣的病原体、病理过程或疾病的临床表现。在牛羊大牲畜领域，这些模型可以用于研究如口蹄疫或其他感染性疾病的发展。一旦确定疾病模型的目标，研究人员设计特定的疾病模拟策略。这可能包括使用基因编辑技术来构建动物模型，然后通过直接引入疾病相关的病原体，如病毒或细菌，来模拟疾病的发展过程。而基因编辑技术，如CRISPR-Cas9，可以用于构建动物模型，使其更容易感染或表现出特定疾病的病理过程。这可能包括在动物体内引入特定的病原体DNA或RNA，或诱导疾病相关的生物过程。在小反刍兽疫研究中，科学家可以使用基因编辑技术构建动物模型，然后引入小反刍兽疫病毒，以模拟疾病的发展。疾病模拟模型允许科学家更准确地研究疾病的传播途径和病理过程。通过模拟感染、病毒繁殖或宿主免疫反应等过程，科学家可以深入了解疾病如何在宿主体内传播和发展。这有助于揭示疾病的发病机制，为治疗和防控策略的开发提供了新的线索。此外，疾病模拟模型还可以用于研究疾病的临床症状。科学家可以观察模拟疾病的动物是否表现出与实际疾病相似的症状，如发热、体重减轻、感染性病理变化等。这有助于深入了解疾病的表现和临床特征[4]。

4、基因编辑技术在疾病模型中的应用

4.1 深入研究疾病发病机制

在构建牛羊感染性疾病模型时，科学家可以利用基因编辑技术敲除或修改与感染性病原体如布氏杆菌、口蹄疫病毒等相关的基因。这使研究人员可以模拟感染的过程，观察病原体如何入侵宿主、复制和传播，以及宿主免疫系统如何应对感染。基因编辑的疾病模型可以用于深入研究宿主免疫反应。通过敲除或修改与免疫系统相关的基因，科学家可以模拟宿主对感染的反应。这有助于了解免疫系统如何检测和对抗病原体，以及为何某些疾病对宿主的免疫反应不够有效。基因编辑技术还可用于构建牛羊遗传性疾病模型。通过修改特定遗传突变或敲除特定基因，科学家可以模拟遗传性疾病的发展过程。这有助于了解遗传变异如何导致疾病的发展，以及为什么一些个体更容易患某些遗传性疾病。

4.2 评估潜在治疗策略

疾病模型不仅用于深入研究疾病的发病机制，还为评估潜在治疗策略提供关键平台。科学家可以利用这些模型来评估新药物、疫苗或其他治疗方法的有效性，为疾病治疗和防控提供重要信息。以口蹄疫疾病模型为例，科学家可以使用这一模型来测试不同的疫苗或抗病毒药物。通过实验，他们可评估这些治疗方法对疾病的预防和控制效果，从而寻找更有效的治疗方案。这种评估过程在疫苗研发中尤为重要，因为口蹄疫是一种高度传染性的疾病，有效的疫苗可以帮助控制疫情的蔓延，保护畜牧业。此外，基因编辑的疾病模型还可用于评估新药物的效力。科学家可以在这些模型中测试不同药物的疗效，以确定哪种药物对特定疾病有最佳效果。这有助于加速新药物的研发，为患有疾病的动物提供更好的治疗选择[5]。

4.3 筛选新药物

基因编辑的疾病模型在筛选新药物方面具有重要作用。科学家可以利用这些模型来评估新药物的候选物的疗效，加速新药研发过程。通过模拟特定疾病的特征，如感染性病原体的感染或特定基因的变异，科学家可以测试不同药物候选物的效力。这使他们能确定哪种药物对特定疾病的治疗效果最佳，同时减少不必要的临床试验和动物实验。这种筛选过程不仅有助于降低新药研发的时间和成本，还为疾病的治疗提供了更多的选择和可能性。

4.4 研究宿主-病原体相互作用

感染性疾病的研究中，基因编辑技术提供一个强大的工具，用于构建模型，以深入研究宿主与病原体之间的相互作用。这对于了解感染过程、免疫反应以及病原体的逃逸机制具有关键意义。通过基因编辑技术，科学家可修改宿主的基因，使其更容易受到感染，或者模拟感染的特定情境。这使他们能研究宿主免疫系统如何应对病原体的入侵。在构建感染性疾病模型时，科学家可以修改宿主的免疫相关基因，观察免疫系统的反应。这有助于了解免疫系统如何检测、攻击和清除病原体，从而揭示感染的发展过程。

5、结束语

基因编辑技术在疾病相关基因的研究中发挥着关键作用。它提供一种精确的方法，可以选择性地敲除、修饰或添加特定基因，从而深入研究与疾病有关的基因的功能。在牛羊大牲畜领域，这些技术已经用于研究与布病、口蹄疫等疾病相关的基因，帮助科学家更好地了解疾病的发病机制，为治疗和防控措施的发展提供了有力支持。基因编辑技术的不断发展将为疾病研究带来更多创新和突破。

参考文献:

[1]刘亚萍,马伯军,陈析丰.CRISPR/Cas9基因编辑技术水稻育种应用的实验教学设计[J/OL].生物工程学报:1-14[2023-11-05].

[2]刘霞.基因编辑技术将癌细胞变为健康细胞[N].科技日报,2023-09-07(004).

[3]李香灵,崔安芳,黄延红,等.基因编辑技术在现代医学中的应用与挑战[J].生物化工,2023,9(4):188-192,196.

[4]唐云书,程文慧,杜忆南.CRISPR/Cas9基因编辑技术在动物疾病模型构建中的应用[C]//中国实验动物学会.第十六届中国实验动物科学年会论文集.[出版者不详],2023:101.

[5]冷烨.CRISPR/Cas9基因编辑技术在动物疾病模型构建的应用[J].中国畜禽种业,2020,16(1):44-45.

文章来源:吴静茹,青青,苏布德.基于基因编辑技术的动物疾病模型构建与应用研究[J].现代畜牧科技,2024(01):147-150.