《Current Opinion in Chemical Biology》：Synthetic biology for heritable viral disease resistance in livestock
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合成生物学（synthetic biology）正在迅速扩展可用于工程化家畜抗病性的策略。针对病原体进入或复制所需的宿主因子（host factors）进行基因组编辑（genome editing），已在猪、牛和鸡中产生了完全或部分抗性（resistance）
合成生物学（synthetic biology）正在迅速扩展可用于工程化家畜抗病性的策略。针对病原体进入或复制所需的宿主因子（host factors）进行基因组编辑（genome editing），已在猪、牛和鸡中产生了完全或部分抗性（resistance），并促成了首个获批的猪繁殖与呼吸综合征病毒（PRRSV）抗性猪的监管批准。另一个前沿领域正在兴起，其中合成抗病毒回路（synthetic antiviral circuits）通过可程序化的分子反应（programmable molecular responses）检测和抑制感染。精确编辑工具（precision editing tools），包括碱基编辑器（base editors）和先导编辑器（prime editors），可能通过更小、更具靶向性的基因组改变实现抗性，而类器官（organoids）和干细胞来源的细胞培养正在加速动物前验证。本综述考察了宿主因子工程（host-factor engineering）、合成抗病毒系统（synthetic antiviral systems）和使能平台（enabling platforms）的最新进展，并考虑了商业传播、监管和公众接受度的挑战。这些进展共同将工程化抗性定位为综合家畜疾病控制中潜在的重要组成部分。
Benjamin P. Beaton与Elena Rice在本综述中系统梳理了合成生物学在构建家畜可遗传抗病毒病抗性中的最新进展。家畜面临的复杂传染病不仅威胁动物健康与福利，更对全球粮食安全构成严峻挑战。随着动物蛋白需求持续增长，猪繁殖与呼吸综合征病毒（Porcine Reproductive and Respiratory Syndrome Virus, PRRSV）每年给美国养猪业造成超10亿美元损失；非洲猪瘟病毒（African Swine Fever Virus, ASFV）在亚欧大陆肆虐且缺乏有效疫苗；牛病毒性腹泻病毒（Bovine Viral Diarrhea Virus, BVDV）导致全球牛群高发病率和死亡率；H5N1亚型禽流感病毒（Avian Influenza Virus, AIV）更以前所未有的规模在禽类中流行并向奶牛及人类外溢。现有疫苗、生物安全和监测手段受限于保护不完全、病原体进化及实施困难，而可遗传抗性（heritable resistance）通过直接修饰宿主-病原体互作提供了互补方案。2025年首个分化簇163（Cluster of Differentiation 163, CD163）编辑的PRRSV抗性猪获美国食品药品监督管理局（Food and Drug Administration, FDA）批准，证实了完全可遗传抗性的商业化潜力，但也引发了对该策略普适性的思考：当病原体依赖冗余通路或能进化出逃逸机制时，单一宿主因子编辑是否仍然有效？
研究人员通过系统性综述整合了宿主因子工程、合成抗病毒系统、使能平台及监管转化领域的最新证据，得出以下结论：工程化抗性正从概念验证迈向商业应用，精心设计的宿主基因组改变可在维持正常动物功能的同时显著减少或预防感染，有望为减少抗生素使用、改善动物福利和增强食品系统韧性提供关键支撑。
在技术方法层面，研究人员综合分析了基于规律成簇间隔短回文重复序列（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, CRISPR）的CRISPR-Cas9基因组编辑策略（包括CD163外显子7缺失、分化簇46（Cluster of Differentiation 46, CD46）氨基酸替换、DnaJ热休克蛋白家族成员C14（DnaJ Heat Shock Protein Family Member C14, DNAJC14）工程化修饰及酸性富含亮氨酸核蛋白A（acidic leucine-rich nuclear phosphoprotein A, ANP32A）/B/E敲除），碱基编辑（Base Editing）与先导编辑（Prime Editing）等精确编辑技术，RNA靶向CRISPR相关蛋白13（CRISPR-associated protein 13, Cas13）系统，靶向DNA病毒的CRISPR-Cas9转基因鸡模型，多重CRISPR-Cas抗ASFV体系，ALICE模块化感染检测平台，合成蛋白质回路，以及猪气道类器官（Porcine Airway Organoids）和诱导多能干细胞（induced Pluripotent Stem Cells, iPSC）来源巨噬细胞等体外验证平台。相关样本来源涵盖猪、牛、鸡及非人灵长类细胞系（如MA104细胞）。
研究结果
宿主因子工程
在CD163/PRRSV抗性研究中，研究人员发现删除CD163基因外显子7可去除清道夫受体富半胱氨酸结构域5（Scavenger Receptor Cysteine-Rich domain 5, SRCR5）结构域，阻断PRRSV进入与脱壳，对两种基因型均产生抗性，同时保留CD163的关键生物学功能。商业化评估证实基因编辑猪在多个品系中稳定遗传，且健康、生长、胴体和繁殖性能正常，支持了2025年的监管批准。进一步蛋白质水平定位发现SRCR5结构域内存在关键氨基酸，其替换可降低病毒结合与进入，提示未来可通过靶向点突变而非结构域缺失实现抗性。在牛中，靶向CD46病毒结合域的编辑在细胞模型及含6个氨基酸替换的基因编辑犊牛中降低了BVDV易感性，感染后动物保持健康。工程化DNAJC14猪对古典猪瘟病毒（Classical Swine Fever Virus, CSFV）攻击产生抗性，其成纤维细胞对CSFV和BVDV均表现出抗性，提示DNAJC14可能是更广泛的黄病毒科抗性靶点。针对禽流感，CRISPR介导的ANP32A敲除赋予鸡强抗性，但高剂量攻击显示病毒可通过酸性富含亮氨酸核蛋白B（acidic leucine-rich nuclear phosphoprotein B, ANP32B）和酸性富含亮氨酸核蛋白E（acidic leucine-rich nuclear phosphoprotein E, ANP32E）旁系同源物（paralogs）逃逸；田间H5N1分离株在编辑背景下保留部分复制能力并可适应，表明需要系统性多基因座设计策略。
合成抗病毒系统
RNA靶向CRISPR-Cas13系统可在哺乳动物模型中对抗RNA病毒；理论上可培育携带多向导RNA（guide RNAs）的可遗传Cas13系统家畜。针对DNA病毒，研究人员开发稳定表达Cas9和靶向马立克病疱疹病毒（Marek's Disease Herpesvirus）感染细胞多肽4（infected cell polypeptide 4, ICP4）转录调节基因的转基因鸡，攻击实验显示病毒复制显著降低。然而，ASFV因其大基因组和免疫逃避能力难以靶向；多重CRISPR-Cas系统虽在体外减少ASFV复制且猪健康生长，但攻击后未显示存活优势。ALICE模块化平台可检测病毒感染并激活多种抗病毒反应；合成蛋白质回路可将特定分子信号与受控的编程性细胞死亡（programmed cell death）连接。这些系统提示未来家畜策略可在感染相关信号激活时按需启动抗病毒活性。
使能平台
病毒易感性取决于受体表达、细胞内辅助因子和特异性组织生物学。传统永生化细胞系虽支持复制但缺乏天然靶组织特征，导致表型向动物转化不可靠。例如，通过猴肾上皮细胞系（MA104 cells）敲除研究鉴定CD1D为ASFV进入因子，但CD1D敲除猪对基因II型ASFV攻击仍完全易感。猪气道类器官可重现呼吸道上皮关键特征，成功用于流感和呼吸道冠状病毒研究。支持生产性ASFV和PRRSV感染的猪iPSC来源巨噬细胞现已成为可遗传编辑平台，替代难以大量获取的猪肺泡巨噬细胞。
转化、监管与展望
2025年FDA批准PRRSV抗性猪得到编辑稳定性、抗性、无不良效应和食品安全证据支持。不同司法管辖区监管方法各异，部分国家豁免某些类似自然或常规育种的编辑，而其他国家仍监管基因组改变或过程。工程化抗性的价值在于改变群体疾病动态：完全抗性可减少易感宿主、中断传播并降低环境病原体负荷。历史经验表明，自然抗性等位基因的快速传播结合监测和生物安全可显著降低疾病流行率甚至促进病原体清除。基因编辑动物需使抗性等位基因进入精英遗传系并快速通过商业育种金字塔；若传播缓慢，易感群体可能仍足够大以维持病原体循环和进化。未来可能组合多个抗性性状和感染响应回路，但这将增加对健康、繁殖和性能交互作用的理解需求。公众接受度将塑造技术落地，应重点沟通疾病抗性的意义而非创造方式。
结论
工程化疾病抗性正从概念验证迈向商业应用。在猪、鸡和牛中的研究表明，精心选择的宿主基因组改变可显著减少或预防感染，同时维持正常动物功能。对继承有效抗性的动物而言，这意味着终身保护、更少治疗、更低死亡率和扑杀率，以及更好的健康和福利。然而，没有单一策略适用于所有病原体。某些疾病可通过单一宿主因子的精确改变解决，而生物复杂性、冗余或病原体进化可能需要多基因座方法或仍超出基因编辑的实际可行范围。合成抗病毒系统可扩展可能性，但其安全性、稳定性、监管可接受性和公众接受度仍不确定。类器官和干细胞来源模型可加速测试，避免动物暴露于无效或耐受不良的干预，并为确定哪些设计应推进到动物研究提供更强证据。由于工程化疾病抗性是可遗传的，通过商业育种群体的快速传播可减少病原体扩增、传播和环境负担。生产者可从更少的疾病损失、治疗和爆发中获益，消费者和社会可从改善的动物福利、减少的抗生素依赖和更具韧性的食品供应中获益。
