圖源：Freepik
導讀：
面對食物過敏發病率上升的挑戰，科學家正嘗試透過生物技術改造食物中的過敏原。
李娟 | 撰文
當大多數人在享受美食時，食物過敏人群卻不得不小心翼翼——反覆檢查超市食品標籤、外出就餐時再三確認選單，甚至無法與親友共享生日蛋糕。
目前，全球食物過敏發病率正在持續攀升。在我國，隨著生活方式和飲食結構的改變，城市兒童食物過敏率已經接近發達國家水平。比如，一項2024年的調查顯示，武漢市3-16歲兒童自述食物過敏率為10.2%，經醫生確診的達6.2%。值得注意的是，這一資料也反映出自我感知與實際確診之間存在差距，說明公眾對食物過敏的識別和理解仍需提高。
過敏反應本質上是免疫系統的"誤判"。當免疫系統將某些食物蛋白錯誤識別為有害物質時，就會啟動防禦機制，產生從皮膚瘙癢、消化道症狀到過敏性休克等不同程度的反應。在各類食物過敏原中，約40%來自植物及其衍生產品，主要包括花生、小麥和大豆。其他常見過敏原還有牛奶、雞蛋、堅果、魚類和貝類等。
傳統來看，過敏管理主要依靠"被動迴避"——嚴格忌口並隨身攜帶應急藥物。這種方法雖然有效，但極大限制了患者的生活質量。如今，科學家們正在探索更積極的解決方案：透過現代生物技術直接改造食物中的過敏原，從根源上解決問題。
傳統植物育種雖在作物改良中重要，但是低過敏原作物品系的已有資訊少，且植物過敏原遺傳複雜、篩選難，因此傳統育種培育低過敏原作物進展慢；誘變育種和基因編輯育種可為低過敏原作物培育提供新思路，已用於多種作物，包括小麥、大豆、花生。其中，新興的基因組編輯技術可針對特定過敏原基因建立突變，進而精確消除致敏成分（表1）。
表1 育種方式在改造致敏農作物方面的比較 圖源：本文作者
本文以小麥、花生、大豆為例，來介紹最新研究是如何從基因層面降低農作物的過敏原成分的。
作為全球三大主糧之一，小麥因其廣泛的食用性而在人類飲食中佔據核心地位。然而，其所含的麩質蛋白卻成為部分人群健康問題的源頭。乳糜瀉、小麥過敏以及非乳糜瀉小麥敏感這三類疾病均與小麥的特定致敏成分密切相關，影響人群比例估計達13%（表2）。尤其在兒童中，小麥相關過敏的情況更為突出。
小麥中的麩質蛋白是引發健康問題的主要因素。從分子層面看，麩質蛋白主要由麥膠蛋白（α，γ，ω）和麥谷蛋白（高分子量，低分子量）組成，這些蛋白賦予了麵糰特有的彈性和延展性，但同時也可能啟用異常的免疫反應。其中，α-和 γ-麥膠蛋白是引發乳糜瀉的主要因素，而小麥過敏則與多種麩質成分有關。這些發現為精準改造小麥蛋白，開發新一代低致敏性小麥品系提供了關鍵靶點。
表2 不同型別的麩質蛋白與小麥相關疾病的關係 圖源：本文作者
透過RNA 干擾（RNAi）和基因編輯技術，可以精確修飾或去除特定的致敏成分，同時保留小麥的加工品質特性。這種"分子手術"般精準的改造方法，有望讓小麥過敏人群重新享受麵食的美味，而不必擔心健康風險。
近年來，美國農業部谷物和動物健康研究中心的Bradford Seabourn科研團隊在利用RNAi 技術降低小麥免疫原性方面取得了一系列進展（表 3）。早期研究中，科學家靶向“調低” ω-5 麥膠蛋白基因，成功培育出兩個轉基因品系，一個品系中該蛋白大幅降低，另一個品系則完全缺失該蛋白。這些品系在施肥條件下表現出更優的麵糰混合性和烘焙品質，表明去除特定麥膠蛋白有助於提升小麥的加工效能。
隨後，研究者進一步靶向ω-1,2 麥膠蛋白，獲得兩個新的小麥品系。一個品系實現對 ω-1,2 的特異性去除，保持了良好的麵粉穩定性；另一個則導致多數麥膠蛋白減少，雖顯著降低了免疫原性，但因蛋白質廣泛流失而影響了品質。
在後續研究中，團隊繼續靶向α-麥膠蛋白，獲得兩個蛋白顯著減少的小麥品系。雖然免疫刺激能力顯著下降，但麵粉的筋力也有所減弱，提示 α-麥膠蛋白對加工效能的影響不可忽視。
在歐洲，西班牙可持續農業研究所科學家Francisco Barro研究團隊致力於基因工程改造小麥，使其免疫原性降低（表3）。在他們的早期研究中，採用 RNAi 技術同時靶向 α- 和 ω-麥膠蛋白基因，使小麥中這類免疫原性蛋白的總含量大幅減少，部分品系降幅甚至超過 90%。改造後的小麥對乳糜瀉相關免疫反應的刺激能力顯著減弱，而與小麥品質密切相關的高分子量谷蛋白仍被保留，保住了烘焙效能。
在進一步研究中，該科研團隊擴大了干擾靶點，加入了γ-麥膠蛋白和低分子量谷蛋白，獲得多個免疫原性降低的品系。其中一個名為 E82 的小麥品系表現尤為突出，多個麥膠蛋白種類大幅減少，同時保有良好的麵糰特性，能夠用於製作麵包等傳統食品。
左圖為研究中使用的E82 麵粉製作的低麩質麵包，右圖為標準麵粉製作的麵包。 圖源：2021 年，Nutrients
為驗證該品系的安全性，該研究團隊進行了小規模臨床試驗。乳糜瀉患者在食用E82 麵包後，絕大多數人的體內未檢測到免疫原性肽，且胃腸症狀與無麩質飲食相當。這表明E82 麵包可能為乳糜瀉患者提供一種更安全的日常飲食選擇。不過，研究者也指出仍需更大規模、長期的臨床資料來確認其適用性。
表3 RNA 干擾技術降低小麥過敏原的主要研究 圖源：本文作者
儘管RNAi技術在初期表現出良好前景，但其存在表達不穩定、遺傳傳遞受限及可能影響非目標基因等問題，限制了其長期應用。因此，科研界開始轉向更為精確和可遺傳的基因編輯工具。
CRISPR/Cas9技術憑藉其高效、精準、低成本的特點，迅速成為農業基因改良的新方向。在小麥中應用該技術，研究者已取得一系列突破。
2019年，荷蘭與英國的團隊合作利用CRISPR系統，靶向小麥基因組中的α和γ-麥膠蛋白基因，獲得了編輯效率為30.8%的突變體。與傳統射線輻照誘變方法相比，其編輯特異性提高5倍，目標蛋白表達下降顯著，免疫原性降低30-40%。
2024年，美國堪薩斯州立大學研究者同時編輯了ω-和γ-麥膠蛋白基因簇，所獲得的品系中ω-麥膠蛋白含量減少75%，γ-麥膠蛋白減少64%。同時，該品系還表現出更強的麵糰結構和更高的耐攪拌性，表明加工品質不僅未降低，反而有所提升。
在另一項2024 年的研究中，西班牙Francisco Barro團隊主導開發了γ-、ω-麥膠蛋白同時降低97%以上的新品系。隨後，研究團隊將這些品系與此前刪除了α-麥膠蛋白的小麥進行雜交，成功培育出了多重去致敏蛋白的小麥品種。
以上研究展示了基因編輯技術在打造低免疫原性或無麩質小麥方面的巨大潛力，為乳糜瀉或麩質不耐受患者帶來更安全的食物選擇，也為穀物精準育種開闢了全新路徑。
花生過敏是全球範圍內最嚴重的食物過敏之一，在北美地區影響約2-3%的人口，兒童群體中比例更高。花生中的 2S 白蛋白類儲藏蛋白（如 Ara h 2，Ara h 6或Ara h 7）是用來儲存營養的成分，能在種子發芽時提供必要的能量和養分，但也是引發嚴重過敏反應的主要致敏蛋白。
2024 年，美國佐治亞大學的研究團隊採用CRISPR/Cas9基因編輯技術，同時靶向花生基因組中數個致敏基因（Ara h 2、Ara h 6 和 Ara h 7），嘗試“精準關掉”這些基因。最終他們成功培育出多個基因被精確編輯的花生植株，並在後代種子中檢測到了相關蛋白的顯著減少，甚至在部分植株中實現了Ara h 2 的完全缺失。大多數植株保持了良好的生長性狀，為後續育種提供了可能。下一步，研究者將驗證其真實的致敏性是否顯著降低。
在美國，另有數個初創公司正在使用RNAi 和基因編輯技術開發低過敏花生和小麥品種。
在大豆方面，日本北海道大學團隊在2020 年報道了一項研究——透過CRISPR技術對主要的大豆致敏蛋白Gly m Bd 28K與30K進行雙基因敲除，獲得了14株無外源DNA殘留、且具有純合突變的植株。分析顯示，Gly m Bd 30K蛋白完全消失，Gly m Bd 28K表達顯著降低，且未檢測到脫靶突變。基因編輯後的大豆株系在形態學及種子發育方面與野生型一致，為後續育種應用奠定了技術基礎。
儘管科學技術的進步令人振奮，但要實現從實驗室走向市場的轉化，還需面對一道道現實門檻。其中，監管政策的不一致與公眾接受度的分化，是擺在基因編輯食品面前的兩大挑戰。
當前全球監管模式主要分為兩類：以美國、加拿大、阿根廷為代表的“產品導向”模式，更注重最終食品的安全性，只要不含外源DNA即可豁免轉基因監管；而以歐盟為代表的“過程導向”模式，則嚴格審查所有使用基因工程手段的食品，無論最終產品是否改變遺傳物質。歐盟的高監管門檻，使得許多本地科研成果無法商業化，科研人員不得不將應用轉移到監管較寬鬆的國家。
公眾態度也在深刻影響著基因編輯食品的命運。2024年發表於《Food Research International》的一項跨國調查發現，美國有50%的受訪者對基因編輯農作物持正面看法，而瑞士僅為35%。而負面情緒在瑞士的佔比為35%，遠高於美國的14%。調查還發現，公眾對科學機構、政府監管和企業的信任程度，與其接受度高度相關。另一個值得注意的現象是，不少受訪者即使不瞭解本國的政策法規，但一旦“認為”某項技術被禁止，便傾向於將其視為風險更高的訊號。
此外，研究還指出，情感而非理性判斷主導了多數人的認知過程。相比基因編輯食物“是否安全”，公眾更關心“聽起來是否自然”、“是否透明告知”，而明確的益處描述（例如改善食物過敏症狀）則有助於緩解負面聯想。
由此可見，在全球政策分化顯著的背景下，科學傳播和社會溝通變得尤為關鍵——既要講清技術的益處和風險，也要真誠回應公眾的擔憂與期待。
總之，在全球應對日益嚴重的食物過敏問題面前，基因工程技術帶來了主動應對的破局新思路。然而，要推動技術落地，除了最佳化法規設計，加強科普傳播和多方參與的社會對話也是這場食品革命的重要一環。
參考文獻：（上下滑動可瀏覽）
1. Liu J, et al. A survey on prevalence and parents' perceptions of food allergy in 3- to 16-year-old children in Wuhan, China. World Allergy Organ J. 2024;17(3):100883.
2. Asri N, et al. The Gluten Gene: Unlocking the Understanding of Gluten Sensitivity and Intolerance. Appl Clin Genet. 2021;14:37-50.
3. Gil-Humanes J, et al. Effective shutdown in the expression of celiac disease-related wheat gliadin T-cell epitopes by RNA interference. Proc Natl Acad Sci U S A. 2010;107(40):17023-8.
4. Altenbach SB, et al. Silencing of omega-5 gliadins in transgenic wheat eliminates a major source of environmental variability and improves dough mixing properties of flour. BMC Plant Biol. 2014;14:393.
5. Altenbach SB, et al. Elimination of Omega-1,2 Gliadins From Bread Wheat (Triticum aestivum) Flour: Effects on Immunogenic Potential and End-Use Quality. Front Plant Sci. 2019;10:580.
6. Altenbach SB, et al. Reducing the Immunogenic Potential of Wheat Flour: Silencing of Alpha Gliadin Genes in a U.S. Wheat Cultivar. Front Plant Sci. 2020;11:20.
7. Sánchez-León S, et al. Stimulatory response of celiac disease peripheral blood mononuclear cells induced by RNAi wheat lines differing in grain protein composition. Nutrients. 2019;11(12):2933.
8. Guzmán-López MH, et al. Oral consumption of bread from an RNAi wheat line with strongly silenced gliadins elicits no immunogenic response in a pilot study with celiac disease patients. Nutrients. 2021;13(12):4548.
9. Sánchez-León S, et al. CRISPR/Cas9-mediated multiplex gene editing of gamma and omega gliadins: paving the way for gliadin-free wheat. J Exp Bot. 2024;75(22):7079-95.
10. Jouanin A, et al. Outlook for coeliac disease patients: towards bread wheat with hypoimmunogenic gluten by gene editing of α- and γ-gliadin gene families. BMC Plant Biol. 2019;19(1):333.
11. Yu Z, et al. CRISPR-based editing of the ω- and γ-gliadin gene clusters reduces wheat immunoreactivity without affecting grain protein quality. Plant Biotechnol J. 2024;22(4):892-903.
12. Sugano S, et al. Simultaneous induction of mutant alleles of two allergenic genes in soybean by using site-directed mutagenesis. BMC Plant Biol. 2020;20(1):513.
13. Conner JA, et al. Multiplexed silencing of 2S albumin genes in peanut. Plant Biotechnol J. 2024;22:2438.
14.Alam T, et al. Peanut genotypes with reduced content of immunogenic proteins by breeding, biotechnology, and management: prospects and challenges. Plants. 2025;14(4):626.
15.Bearth A, et al. Consumers' perceptions and acceptance of genome editing in agriculture: Insights from the United States of America and Switzerland. Food Res Int. 2024;178:113982.
星標《賽先生》公眾號，
歡迎關注我們，投稿、授權等請聯絡