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轉基因水稻潛在致敏性的安全性評價

2012-04-29 00:00:00胡小蘭陸長麗紀麗蓮
湖北農業科學 2012年16期

轉基因水稻潛在致敏性的安全性評價

胡小蘭1,陸長麗1,紀麗蓮2

(1.揚州大學,江蘇 揚州 225127;2.淮陰師范學院,江蘇 淮安 223300)

摘要:利用基因工程技術已經成功培育出抗蟲、抗病、抗逆、耐除草劑和改善營養品質的轉基因水稻,其安全性問題成為研究熱點。對轉基因水稻上市前進行嚴格和科學的安全性評估是當前一個亟待解決的課題,其中一項重要內容是評估轉基因食品的致敏性。對當前國內外水稻過敏原的研究、對轉基因食品潛在致敏性的安全性評價以及加工處理對致敏原的影響等研究進展進行了綜述。

關鍵詞:水稻過敏原;轉基因水稻;潛在致敏性;安全性評價

中圖分類號:S511;TS201.6 文獻標識碼:A 文章編號:0439-8114(2012)16-3417-05

The Safety Evaluation on Potential Allergenicity of Genetically Modified Rice

HU Xiao-lan1,LU Chang-li1,JI Li-lian2

(1.Yangzhou University,Yangzhou 225127, Jiangsu,China;2. Huaiyin Normal College,Huaian 223300,Jiangsu,China)

Abstract: As genetically modified rice, like insect and disease resistance, stress resistance, herbicide tolerance and improved nutritional quality, and so on, had been successfully produced by genetic engineering techniques, the security issues became a research focus. Safety assessment of transgenic rice pre-market has been a rigorous and scientific problems to be solved, an important part of which was to assess the allergenicity of genetically modified foods. The current domestic and international research on rice allergens, safety evaluation on the potential allergenicity of genetically modified food, and the impact of allergen processing research were reviewed.

Key words: rice allergen; transgenic rice; potential allergenicity; safety evaluation

水稻(Oryza sativa L.)作為世界上最重要的糧食作物之一,培育高產、優質的水稻品種對世界水稻生產具有重要的現實意義。利用基因工程技術已經成功培育出抗蟲、抗病、抗逆、耐除草劑和改善營養品質的轉基因水稻。轉基因水稻給人類帶來的經濟、社會、營養等方面的效益是明顯的,然而在2005年的非法轉基因水稻污染中國大米事件發生后,對轉基因水稻生物安全問題的關注程度日益加強,加快推進轉基因水稻產業化進程中如何最大限度地降低其可能帶來的風險;發展和完善蛋白致敏原的檢測、鑒定和分析方法;加強對轉基因水稻的致敏性評價研究,保障其健康有序地發展,是目前面臨的關鍵問題。本文就轉基因水稻的潛在致敏性的研究進展進行了綜述。

1 水稻過敏原的研究

作為人類主食被消費的谷物食物如大米、小麥、玉米等發現過敏現象后,引起科學界的高度關注。1978年Shibadaki等[1]報道水稻蛋白具有過敏作用,1988年Matsuda等[2]運用HPLC、ELASA、SDS-PAGE及親和層析法分離純化得到一種存在于水稻種子胚乳中的過敏原,進一步研究發現該過敏原分子中脯氨酸(Pro)和半胱氨酸(Cys)含量比谷蛋白和球蛋白要高。且這種過敏蛋白在100 ℃處理60 min后仍然可保持60%的過敏反應活性。Urisu A等[3]通過進一步分離得到6種過敏蛋白,分子量分別為14、15、16、26、33、56kDa。發現14~16 kDa過敏蛋白具有α淀粉酶抑制劑活性[4,5],33 kDa過敏原蛋白(Glb33)與細菌乙二醛酶Ⅰ有較高的同源性,具有乙二醛酶Ⅰ活性,存在于水稻成熟種子及其莖葉[6]。水稻種子過敏蛋白(RA)屬于α-淀粉酶/胰蛋白酶抑制劑家族,RNA印跡分析,水稻種子在開花后15~20 d能最大限度地積累RA基因[7]。

2 轉基因水稻潛在致敏性評價方法

2001年FAO/WHO組織專家咨詢委員會[8]提出了轉基因食品潛在致敏性評估程序。該程序的第一步判斷基因來源;第二步進行序列相似性比較;第三步血清學試驗;第四步模擬胃腸液消化試驗,如有可能還要進行動物模型試驗。根據各步測試,給出致敏性的高低等級,與2000年公布的評估程序相比,去除了皮膚穿刺和雙盲法食物攻擊試驗,增加了動物模型試驗。

2.1 氨基酸序列分析

根據FAO/WHO決策方案,使用SDAP、Farrp和NCBI三大數據庫對蛋白潛在致敏性進行評估。倪挺等[9]收集了目前已知的過敏原氨基酸序列以及已經研究的過敏原決定簇,建立了一個食物過敏原數據庫(http://ambl.lsc.pku.edu.cn),專門用于過敏性評估中的序列相似性比較,該數據庫提高了序列相似性分析的準確性,還包括模擬胃腸液消化試驗、放射性變應原吸附抑制試驗(RAST INHIBITION)等在過敏性評估中非常重要的試驗方法。在進行序列相似性比較時,使用合理的運算法則和參數十分關鍵。天然過敏原的細胞表位還包括非線性的構象表位,僅通過鑒定連續的氨基酸殘基是否相同來判斷蛋白的過敏性可能會造成失誤,局限于氨基酸一級序列的比較,并不包括蛋白質之間空間結構相似性的比較,將連續相同的氨基酸數量和相同氨基酸含量聯合比較能夠得到更合理的結果[10]。目前主要采用FASTA(Fast alignment)或BLAST(Basic local alignment search too1)、Allergen online等程序[11]。轉基因表達蛋白是否引起過敏,還取決于外源基因表達產物在人的消化系統中能否快速被降解和消化,以及與高過敏患者血清學反應檢測等[12]。

2.2 特異血清學試驗

特異血清篩選試驗是判定基因表達產物是否致敏的直接方法,即檢測表達蛋白與對轉入基因源過敏個體的IgE反應。然而,食物過敏不全是由IgE介導。以IgE介導的食物致敏性評估為基礎,過敏患者過敏原特異性IgE抗體有限、食品蛋白及其他過敏原之間的交叉反應性和加工食品中蛋白質修飾等都是要考慮的問題[13]。Baldo等[14]發現,不同種谷物,例如禾本科家族的水稻、玉米、小麥、大麥、黑麥之間有交叉免疫反應,且其交叉反應程度與他們在分類學上的親緣關系的遠近相一致。目前,治療小麥或玉米過敏癥的重要方法之一,便是用日本小米或意大利小米代替飲食中的小麥、玉米[3]。Cry蛋白由Cry1Ac、Cry1Ab、Cry2Ab編碼,存在潛在的過敏交叉反應,利用生物信息學搜索工具,識別分析任何潛在過敏原的蛋白質氨基酸序列[15]。目前迫切需要對不同種谷物之間的交叉過敏原性及各自的免疫原性的產生機制作深入的了解。

2.3 模擬胃腸液消化穩定性

20世紀70~80年代進行蛋白質的營養價值評價時,胃蛋白酶消化法被建立和發展于預測氨基酸生物利用率。1996年,Astwood等[16]首次將體外胃蛋白酶消化方法系統地應用于食物致敏原的消化穩定性評價。從1996~2003年FAO/WHO食品法典委員會(CAC)公布的新的轉基因食品致敏性評價策略,消化穩定性試驗一直是評價新外源蛋白質,尤其是通過基因工程轉入傳統食品中新表達的蛋白質可能致敏性的必選實驗項目[17]。很多蛋白都建立體外模擬胃腸液消化穩定性和熱穩定性試驗,蟹類過敏蛋白、淡水魚類小清蛋白、鯉魚膠原蛋白等其他水產過敏原的消化穩定性,相對于非過敏蛋白具有一定的消化穩定性[18-21]。牛初乳IGF-I的模擬胃腸液穩定性研究表明[22],牛初乳IGF-I在模擬胃液中的穩定性隨胃液pH的升高而增加,隨消化時間延長而降低;初乳乳清粉中的IGF-I對模擬胃腸液消化的耐受性高于純化的IGF-I。

2.3.1 模擬消化的影響因素 體外模擬消化試驗中,因為消化酶對氨基酸肽段的特異性分解位點不同有差異,不同的消化酶對同一種過敏蛋白所產生的降解產物不同。如胃蛋白酶A優先選擇苯丙氨酸或酪氨酸殘基的C末端降解[23],胰蛋白酶有較強的特異性,優先選擇靠近親水性氨基酸殘基Lys和Arg的P1位置,胰凝乳蛋白酶具有較寬廣的特異性,它強烈地優先選擇靠近芳香族氨基酸(Tyr、Trp、Phe)和Leu的Pl位置[24]。選擇合適的酶/蛋白的比值來反映人體的正常生理分泌情況是很重要的。按照文獻[25]推算,將人體分泌的胃蛋白酶活力換算成商業酶活力,人體每天分泌的胃蛋白酶與每天攝入的蛋白的比值為1∶7 500(w/w)。振蕩的速率應該和胃腸道消化過程中蠕動的速率相關。胃中的轉動和短波的移動通常大約為每分鐘3次。而在小腸中的蠕動速率則不同,十二指腸中為11.7次/min,回腸為8.9~9.8次/min。因此,把胃和小腸的蠕動速率調到3次/min和10次/min是相對合理的[26]。在pH 1.2蛋白質消化率比pH 2.0的高[27]。pH和胃蛋白酶濃度的差異,只輕微影響中等穩定的蛋白質消化:刀豆素A、卵清蛋白、溶菌酶;不影響極易消化或穩定的蛋白質。通過胃蛋白酶活性的驗證和消化的目標端點的確定,食物中新蛋白質的安全性評估結果更具有可比性[28]。

2.3.2 模擬胃腸液消化研究 王興等[29]探索苦蕎蛋白質體外消化過程中的動力學特性及其抗氧化活性變化,建立苦蕎蛋白質體外消化動力學模型,所得水解度指標與抗氧化活性指標有較強的相關性,建立模型與實際觀測結果符合良好。研究轉基因大豆的消化穩定性評估下的生理體外消化和發酵模型,未經胃腸液完全降解的蛋白片段,可能會導致結腸癌。研究蛋白在結腸發酵后的降解情況,結合美國藥典和模仿人類生理條件的胃腸道分泌,食物的攝入量與唾液、胃液、膽汁、胰液的比例分別為2.5∶1.0∶1.5∶1.0∶1.0。結果顯示結腸發酵24 h后沒有發酵產物,證實新的蛋白質不會導致結腸癌;在胃液中其完全消化的時間很短,轉基因大豆CP4EPSPS沒有潛在的致敏性[30]。王利民等[31]將大豆凝集素設為1、2、3、4、5 mg/mL 5個濃度梯度,分別與等體積的模擬胃液或模擬腸液混合,胃蛋白酶降解大豆凝集素主要發生在反應的初始階段,隨著反應時間的延長降解速率逐漸變慢,但反應一直在進行;隨著大豆凝集素濃度的增加,降解速率增大,但徹底降解所需的時間延長,底物濃度從1 mg/mL增加到5 mg/mL,完全降解的時間為9.5和23.0 min。

蛋白質消化穩定性是評價其潛在致敏性的重要參考依據,其與食物過敏的關系須考慮試驗條件、食物致敏原類別和食物基質及食物加工等多因素的影響[32]。進一步促進體外消化穩定性試驗的標準化,建立成熟、完整的體外消化模型進行外源蛋白質的消化穩定性評價。

2.4 動物模型研究

根據2001年FAO/WHO生物技術食品過敏性聯合專家咨詢會議的轉基因食品潛在致敏性樹狀評估策略,定向篩選血清學試驗和動物模型成為探測未知過敏原的新方法,并明確提出動物模型是評價轉基因作物潛在致敏性的更有決定性的、也更為整體的一種方法[8]。

2.4.1 嚙齒類動物模型 許多動物模型如小鼠、大鼠、豬等在揭示食品過敏機理方面已有較多報道[33-38]。其中嚙齒動物相對容易飼養,費用低,試驗時間短,便于研究致敏和激發期不同階段的過敏反應,小鼠模型具有高水平IgE反應、多樣的免疫學和分子學反應物,小鼠和人類之間相似的抗體決定簇也證明小鼠是用于人類食品過敏研究的有效模型。建立動物模型試驗系統標準,對過敏性反應表征的測試,包括免疫、過敏性反應的測量、材料標準化、驗證資格和程序等[39]。理想的模式應試驗方法簡單,重現性好,可區分出與人類的過敏性反應有關的過敏性預測閾值以及足夠的特異性和敏感性[40]。

通過大米過敏原的BALB/c小鼠經口灌胃模型,了解大米蛋白的致敏性和免疫學潛在的食物過敏癥發展的病理、生理機制。結果顯示搔抓行為和血管通透性增加,大米蛋白特異IgE、小腸上皮炎癥損傷等出現陽性結果。水稻過敏BALB/c小鼠模型的研究,將為進一步分析免疫機制、評價各種大米或其他谷物過敏原的致敏性、大米過敏原免疫療法等提供基礎[41]。孫拿拿等[42]研究C3H/HeJ小鼠可以作為食品致敏性評價動物模型,經口灌胃途徑及腹腔注射途徑的最佳致敏周期分別為14和28 d。然而也有對BALB/c小鼠作為食物過敏動物模型的可行性持懷疑態度的,呂相征等[43]發現常見致敏食物蛋白質卵清蛋白(OVA)和大豆胰蛋白酶抑制劑(TI)、不常見致敏食物蛋白質牛血清白蛋白(BSA)和無致敏史食物蛋白質馬鈴薯酸性磷酸酶(PAP)均可使BALB/c小鼠產生過敏反應。

2.4.2 其他模型研究 用短尾猴經口灌胃含7Crp(7-T細胞來自杉樹花粉的抗原表位過敏原,可被利用來控制人類的花粉過敏)轉基因水稻,進行26周以上的安全評估試驗,各組之間血液或生化值無顯著差異。也沒有病理癥狀和組織病理學異常的變化,表明經口灌胃含有7Crp轉基因水稻無不良影響,是安全的[44]。轉基因Btl76玉米的安全性研究[45],用含該種抗蟲基因玉米的飼料喂養母羊及它們的后代3年,未發現試驗對受試動物的健康和各種性狀有不利影響,也未檢測到瘤胃中微生物或動物組織有任何橫向基因變化。用電鏡對肝臟和胰腺的初步分析顯示,小羊羔由于含較小細胞核而增加了異染色質顆粒和染色質旁顆粒的數量。許多研究仍在繼續,以期找到合適的動物模型,能較好地模擬人的抗體反應,甚至與致敏性病人同樣的臨床反應。

3 食品致敏原潛在過敏性的解決方法

2006年國際生命科學學會健康和環境科學研究所蛋白質致敏技術委員會組織[46],討論食品加工對食品潛在致敏性的影響,調查食物過敏機制,通過適當的方法驗證和確定蛋白過敏原。食品抗原表位的多重模式、食物過敏患病率的地理變異和遺傳因素等都需要進一步探索。食品加工可能增加或減少蛋白質的內在過敏性,然而目前的數據沒有精確地確定影響蛋白質的致敏性的特定變量。對過敏患者最重要的是避免接觸過敏原,減少過敏反應的發生,不僅要求對過敏原的精確研究和鑒定,還要有降低食品過敏原潛在致敏性的科學方法。

3.1 加工處理

發芽和熱處理對可溶性蛋白質(包括14~16kDa和26kDa的過敏原)降解的影響表明,26kDa和14~ 16kDa的過敏原降解的最適pH分別為4、5~7,半胱氨酸蛋白酶參與降解。兩大過敏原以不同的方式降解,可能是谷物在發芽過程中產生不同蛋白酶的作用[47]。

3.2 體外免疫

建立體外免疫產生抗原特異性的人類單克隆抗體。對大米過敏蛋白(RA)的可溶性蛋白進行體外免疫,對AC7-1/F9、CB7-1/E2和CB7-8/F5 3個B細胞克隆,產生RA特定的人類單克隆IgM抗體。RA分子可能會引發過敏反應抗原表位區域的信息,可以對大米過敏進行特異性免疫[48]。

3.3 過敏治療

目前對過敏治療,接種疫苗是最有效的科學方法。重組基因主要是改造過敏原,減少過敏活性分子和內在抗原性。制定的過敏疫苗能顯著降低與IgE抗體特異性結合作用,不會導致過敏性反應。14~16 kDa的水稻鹽溶蛋白,能與對水稻過敏的患者IgE抗體反應。從水稻種子的cDNA文庫中分離編碼這些過敏性蛋白,采用反義RNA抑制成熟水稻種子過敏原基因的表達。免疫印跡和16 kDa過敏原的單克隆抗體酶聯免疫吸附分析表明,轉基因水稻種子的過敏原的含量明顯低于父母的野生型水稻種子[49]。血清學和2D-DIGE分析相結合是一種在質量和數量上評估轉基因食品過敏原的有效方法[50]。分子生物學、生物化學和營養學的結合將為食品安全評估提供更有效的信息[51]。可以進一步改善未來的測試方法。

4 總結

轉基因水稻的安全性一直是各國政府及消費者十分重視的問題,各國也在對不斷涌現的轉基因水稻進行極為嚴格、審慎的評估,評價方法和決策都在不斷地發展。結合我國轉基因作物的發展態勢,建立針對轉基因水稻完善的致敏性評估體系,加快完善我國轉基因產品潛在致敏性的評估系統,借鑒國際先進的風險評估標準和技術,完善轉基因水稻風險評估方法和策略,特別是對有關數據庫資料和特異性血清庫的不斷完善,以及測試方法的標準化工作亟待加強。實現轉基因水稻的安全、合理發展,實現轉基因作物技術持續發展。

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