1 转基因食品的发展及遇到的问题
1.1 转基因食品的概念
转基因食品（Genetically Modified Foods，GMF）是利用现代分子生物技术，将某些生物的基因转移到其他物种中去，改造生物的遗传物质，使其在形状、营养品质、消费品质等方面向人们所需要的目标转变，以转基因生物为直接食品或为原料加工生产的食品就是“转基因食品”。包括转基因植物食品、转基因动物食品和转基因微生物食品。
1.2 转基因作物的发展历史
基因作物的研究最早始于20世纪80年代初期。1983年，全球第一例转基因烟草在美国问世。1986年，首批转基因抗虫和抗除草剂棉花进入田间试验。1996年，美国最早开始商业化生产和销售转基因作物（包括大豆、玉米、油菜、土豆和西红柿）。之后，许多国家也都开始对转基因作物展开研究，并进行商业化种植，转基因作物的商业化种植目前已经遍布全球25个国家。现有的转基因作物通常分为3代：第1代转基因作物是指具有强化输入特性的作物，如具有抗除草剂、抗害虫、以及抗环境压力如干旱等的特性；第2代转基因作物是指具备增值输出特性的作物，如具有强化动物饲料营养的特性；第3代转基因作物是指可以生产药品或者改进生物基燃料和除传统食品与纤维之外产品的作物。目前，转基因作物的应用总体上限于第1代转基因作物，第2和第3代转基因作物正处在不同的研发阶段。市场上的转基因作物有大豆、玉米、油菜、棉花、木瓜、马铃薯、南瓜及西红柿等。其中大豆、玉米、油菜和棉花是种植最为广泛的转基因作物。世界各国正在研发的转基因作物包括苹果、香蕉、大麦、椰子、芒果、菠萝及甘薯等。
1.3 转基因作物的发展现状
根据国际农业生物技术应用服务组织（ISAAA）2012年的年度报告，2012年全球转基因作物的种植面积持续上升，全球共有28个国家种植了超过1.7亿公顷的生物技术作物，比2011年增长6%。从1996年第一个转基因作物品种实现商业化种植，达170万公顷的种植面积开始，到2012年的1.7亿公顷，全球转基因作物的种植面积已经增长了100倍。在农业技术发展史当中这种增长速度是史无前例的。按照种植面积统计，全球约81%的大豆、35%的玉米、30%的油菜和81%的棉花是转基因产品。转基因作物可以为全球的农民、消费者、农场主带去可观的经济和环境利益，2012年的数据显示，发展中国家的转基因作物种植面积已经超过了发达国家，种植面积比2011年增加了900万公顷。去年，又有两个发展中国家苏丹和古巴首次加入了种植转基因作物的行列。转基因作物种植面积排在前5位的国家分别是美国、巴西、阿根廷、加拿大、印度。我国种植面积约400万公顷，居世界第6位，其中绝大部分是转基因抗虫棉（占我国棉花种植面积的80%），还有少量的木瓜、西红柿、甜椒等。
1.4 转基因食品的优势
转基因作物有诸多优点，比如可以增加作物产量；可以降低生产成本；可以增强作物抗虫害、抗病毒等能力；提高农产品耐贮性；摆脱季节供应限制[4]；打破物种界限等等。因此而在全世界范围内被广泛种植。其中抗除草剂转基因作物和抗虫转基因作物是最主要的两大类。
国际农业生物技术应用服务组织（ISAAA）2012年的年度报告指出，转基因技术可以提高作物产量和产品质量，减少杀虫剂使用，节省资源。它的广泛采用为农民带去更高的收入和更大程度的环境保护。在印度，与种植传统作物品种的农民相比，种植生物技术作物的农民的孩子的入学率更高。在巴西，种植生物技术作物的农民的年收入较之四年前平均增加了10万美金，较之16年前，更是增加了30万美金之多。仅过去两年，由于种植转基因作物而减少化学产品的使用间接挽救了2亿公顷的土地，相当于世界三分之一的热带雨林面积。
1.5 转基因食品遇到的问题
转基因作为一种新兴的生物技术手段，它的不成熟和不确定性，必然使得转基因食品成为人们关注的焦点。目前主要包括以下几个方面的问题。
1.5.1 安全性问题
转基因生物所引入的外源基因往往可以表达出蛋白质，可能会引起生物的代谢变化，造成该生物组成成分的改变。这种改变，特别是有毒物质、抗营养因子、过敏原等的含量发生变化，将影响该生物作为食品的安全性。转基因作物中的毒素可引起人类急、慢性中毒或产生致癌、致畸、致突变作用。
1998年秋天，苏格兰Rowett研究所的科学家阿帕得·普斯泰（Arpad Pusztai）称他在实验中用转雪花莲凝集素基因的马铃薯喂食大鼠，随后，大鼠“体重和器官重量严重减轻，免疫系统受到破坏”。
法国分子内分泌学家Seralini及其同事在2009年第7期《国际生物科学学报》上发表文章，讨论给老鼠喂食三种孟山都（Monsanto）公司转基因玉米的实验和分析结论。并指出，老鼠在食用转基因玉米三个月后，其肝脏、肾脏和心脏功能均受到一定程度的不良影响。
2007年，奥地利维也纳大学兽医学教授约尔根·泽特克（Juergen Zentek）领导的研究小组，对孟山都公司研发的抗除草剂转基因玉米NK603和转基因Bt抗虫玉米MON810的杂交品种进行了动物实验。在经过长达20周的观察之后，发现转基因玉米对老鼠的生殖能力存有潜在危险。
1.5.2 过敏反应
转基因作物中的免役或致敏物质可使人类机体产生变态或过敏反应。对于一种食物过敏的人有时还会对一种以前他们不过敏的食物产生过敏，而转基因食品存在更多隐患如：将玉米的某一段基因加入到核桃、小麦和贝类动物的基因中，蛋白质也随基因加了进去，那么，以前吃玉米过敏的人就可能对这些核桃、小麦和贝类食品过敏。
巴西坚果（Bertholletia excelsa）中有一种富含甲硫氨酸和半胱氨酸的蛋白质2S albumin。为提高大豆的营养品质，1994年1月，美国先锋（Pioneer）种子公司的科研人员尝试了将巴西坚果中编码蛋白质2S albumin的基因转入大豆中。但是，他们意识到一些人对巴西坚果有过敏反应，随即对转入编码蛋白质2S albumin的基因的大豆进行了测试，发现对巴西坚果过敏的人同样会对这种大豆过敏，蛋白质2S albumin可能正是巴西坚果中的主要过敏原。
1.5.3 对环境的危害
转基因作物对环境的危害主要包括以下几个方面：转基因作物的亲缘野生种因为自然选择等原因而成为杂草或超级杂草；转基因作物可能产生新的病毒或疾病；转基因作物对非目标生物的危害；转基因可能破坏生物多样性从而对生态系统及生态过程造成影响。
1.5.4 现有的安全评估方法
现有的针对转基因食品安全性的评估方法是1993年OECD提出的“实质等同性”原则。即从以下几个方面来比较分析转基因食品与传统食品：（1）表型性状、（2）分子特性、（3）主要营养成份、（4）抗营养因子、（5）毒性物质、（6）过敏原含量等。然而由于生物技术的飞速发展，该评估方法很多时候并不能给出正确的结论。
2 苏云金杆菌和Bt基因
苏云金杆菌（Bacillus thuringiensis，简称Bt）是一种革兰氏阳性细菌，属于原核生物细菌纲芽胞杆菌科芽胞杆菌属，广泛存在于土壤、尘埃、水域、沙漠、植物、昆虫尸体中。能够产生芽孢，并在芽孢形成过程中产生许多蛋白质，这些蛋白质以结晶方式出现，因此被称为伴孢晶体。它们具有特异性的杀虫活性，以结晶方式出现，因此被称为伴孢晶体。它们具有特异性的杀虫活性，通常也被称为杀虫结晶蛋白（insecticidal crystal protein即ICP）或δ-内毒素或苏云金杆菌毒蛋白（Bttoxic protein）。Bt毒蛋白在伴孢晶体内以原毒素（Protoxin）的形式存在，当被昆虫摄食之后，在昆虫幼虫的肠道内经蛋白酶水解，转变为较小的毒性多肽分子，它可以与敏感昆虫中肠道上皮细胞表面的特异受体相互作用，诱导细胞膜产生小孔，扰乱细胞内的渗透平衡，并引起细胞肿胀甚至裂解，从而导致昆虫幼虫停止进食而最终死亡。Schnepf等在1981年首次将苏云金杆菌Kurstaki HD-1的Bt毒蛋白基因克隆，并在1985年完成其核苷酸序列分析。Hofte和Whiteley在1989年对当时已报道的42个Bt毒蛋白基因核苷酸序列进行比较分析，发现有些Bt毒蛋白基因是同一个基因或同一基因发生了微小改变的突变体。因此，它们被划分为14种不同的Bt毒蛋白基因，其中一种是从苏云金杆菌以色列变种（Bt subsp israelensis）中分离出来的，编码分子量为27kD的蛋白质，它不仅对双翅目昆虫有毒性，而且对无脊椎动物及脊椎动物的细胞也有毒性，使细胞溶解，同时此基因在结构上与其他13种Bt毒蛋白基因（称为Cry基因家族）无任何相关性，因此它被命名为CytA（Cytolytic crystal protein gene）。根据基因结构相似性及其抗虫谱，他们把这十三种基因分为四大类及若干亚类。CryⅠ类基因特异地抗鳞翅目（lepidoptera）昆虫；CryⅡ类基因特异地抗鳞翅目和双翅目（diptera）昆虫；CryⅢ类基因特异地抗鞘翅目（coleoptera）昆虫；CryⅣ类基因特异地抗双翅目昆虫。Tailor等在1992年报道了一类新的Bt毒蛋白基因，即CryⅤ类，它特异地抗鞘翅目和鳞翅目昆虫。Bt毒蛋白基因家族在不断扩大和发展，到目前已有二十多种Bt毒蛋白基因被分离和克隆。目前，已有超过200个Cry毒素基因被克隆和测序，并对一些基因进行了人工修饰和改造，使其杀虫活性更高；同时，Bt毒素Cry基因已被转入到棉花、玉米、大豆、水稻等多种作物中，Bt转基因抗虫作物（主要为棉花、玉米）已在世界范围内得到大面积应用，产生了极其显著的经济、社会和生态效益。
苏云金芽孢杆菌类制剂，由于其卓越的杀虫效果，是近年来发展最快、应用最广的微生物杀虫剂。此类制剂的杀虫范围有一定的广谱性，较之真菌和病毒制剂发挥作用迅速，有时其速效性甚至不亚于某些化学杀虫剂。害虫对制剂的抗性发展很慢，在适宜的条件下有可能在一定虫种的自然种群中保持、蔓延而引起疾病的流行，从而发挥长期性的防治效果。该类制剂产品在不少国家已经商品化，对产品的工业标准化、国际标准化、杀虫效果、病理机制、提高菌效的途径、使用方法的改进等方面都有比较深入广泛的研究。
3 Bt杀虫晶体蛋白的结构和杀虫机制
Bt杀虫晶体蛋白的分子量为70—140 kDa，通常称为原毒素(protoxin)。昆虫食入原毒素后，在昆虫中肠的高pH环境和蛋白水解酶的作用下，原毒素被激活为分子量为60—70kDa左右的毒性多肽，活化的毒性多肽与昆虫中肠上皮细胞刷状缘膜囊泡（brushborder membranevesicles，BBMV）上的特异受体结合，在细胞膜上形成跨膜离子通道，破坏中肠细胞膜的渗透性，引起昆虫中肠上皮细胞的裂解和昆虫死亡。Cry毒素与昆虫中肠BBMV上特异性受体的结合是决定Cry毒素杀虫谱的关键因素。鳞翅目昆虫中肠BBMV上存在多种Cry毒素的受体蛋白，包括氨肽酶类（APNs），钙粘蛋白类（Cadherins），碱性磷酸酯酶（ALP）和糖酯类（Glyeolipid）等，其中最重要的两类为氨肽酶类和钙粘蛋白类受体。在烟草天蛾（MandacaSexta）、家蚕（Bombyx mori）和烟芽夜蛾（Heliothis virescen）上，钙粘蛋白已被证实为CrylA毒素的功能受体。许多研究也表明氨肽酶能够与CrylA毒素结合。
4 Bt杀虫晶体蛋白的生物毒性
实验表明，Bt蛋白不仅可以溶解昆虫动物的肠道细胞，而且可以溶解非昆虫细胞来源的磷脂双分子层，并且可以与哺乳动物的肠黏膜细胞发生结合。甚至可以杀死人类的肿瘤细胞HL60，并且诱导人外周血白细胞的凋亡，且呈现一定的量效关系，表明Bt蛋白可以直接作用于人类细胞，引起抑制细胞增殖和诱导细胞凋亡等细胞毒作用。有人以含Bt菌的饲料喂养黄河鲤鱼，可以导致鲤鱼的免疫系统功能改变，且随着停止投喂该饲料，免疫功能改变会消失，可见Bt蛋白对于鱼类也可能存在着影响。用转Bt基因水稻克螟稻1号（KMD—1）与其亲本秀水11号进行的90天的大鼠安全性喂养试验结果表明，采用每公斤含Bt蛋白15mg的克螟稻1号喂养的大鼠，与对照组相比，没有出现毒性反应和副作用，但是却可以发生一些生理指标的显著变化。包括：1、大鼠摄食量稍有减少；2、血液系统成分发生明显的改变，尤其是雄性大鼠的改变更为明显。3、肠道菌群的改变。粪便中，两组大鼠排出的菌群没有显著性区别，但是．喂食转基因大米，可以使大鼠十二指肠中，双歧杆菌的数量下降13％，回肠中致病菌菌群的数量提高23％。这可能提示，长期食用转Bt基因大米有导致肠道微环境改变，引起菌群紊乱的倾向；4、性器官和内分泌的变化。喂食转基因大米，可以导致雄性大鼠的肾上腺萎缩，重量减轻15％，睾丸重量增加10％，雌性大鼠的子宫重量则增加19％，病理结果显示，喂食转基因大米的雄性大鼠睾丸功能障碍率（3/16）略高于对照组(2/16)。提示转基因大米可能对哺乳动物的内分泌—性腺功能产生一定的影响。Bt蛋白可能导致哺乳动物的免疫器官和免疫细胞损伤。当摄人高浓度的Bt毒素蛋白时，小鼠的脾脏指数、T细胞ANAE阳性率及巨噬细胞的吞噬功能等免疫功能均可见明显的抑制，且可与注射环磷酰胺的阳性对照组出现类似的抑制现象。长期大剂量食用Bt蛋白，动物的白细胞总数和血红蛋白含量显著下降，提示Bt蛋白具有较明显的免疫抑制毒性。毒素还可以导致胃肠道、肝脏及肾脏损伤，细胞肿胀和空泡样变性。调查还发现，大量接触Bt蛋白农药的工人及通过皮肤接触Bt毒素的豚鼠，均产生了皮肤刺激症状。总之。目前的各种报道表明，转Bt基因水稻可能对哺乳动物的食欲、内分泌系统、生殖系统、血液系统、免疫系统以及肝肾功能造成影响；同时，还可以导致哺乳动物体内的益生菌减少。病原菌增加，更可能存在引发哮喘等过敏反应的问题。
5 Cry1Ab的结构和功能
Cry1Ab蛋白是苏云金芽孢杆菌的Bt基因表达的毒蛋白之一，是转Bt基因作物中应用最广泛的转基因蛋白之一。其分子量约为130kDa，由两个部分构成：N端的活性片段和C端的结构片段，其中活性片段分子量约70kDa，结构片段分子量约60kDa。带有结构片段时被称为原毒素，在蛋白酶的消化作用下，C端的结构片段经过蛋白酶的7次水解消化作用而被除去，原毒素即被激活为有活性的毒性多肽。激活后的Cry1Ab具有三个结构域：结构域Ⅰ位于毒性多肽的N端，由7个两性α2螺旋组成，主要参与在昆虫中肠上皮细胞形成孔道；结构域Ⅱ主要由β2折叠片层构成，它决定毒素的专一性及与受体的特异性结合；结构域Ⅲ位于C端，也是由β2折叠片层构成，主要功能是调节毒素的活性。需要指出的是，这三个结构域并非孤立，而是相互作用、相互影响的。
6 Cry1Ab的受体
已基本明确的Cry1Ab受体主要有氨肽酶、类钙粘蛋白、碱性磷酸酶和糖脂类等四大类。氨肽酶是多种昆虫中肠微绒毛膜上的主要酶，约占鳞翅目昆虫中肠总蛋白量的55%，也是细胞蛋白代谢过程中的生物酶，分子量120kDa。类钙粘蛋白受体与钙粘素超家族蛋白（特别是来自哺乳动物的）具同源性，可能是细胞快速繁殖和组织生长期间昆虫幼虫中肠上皮组织所必需的物质。碱性磷酸酶在生物体中广泛分布，对生命有重要作用。受体碱性磷酸酶的种类及结构特征与哺乳动物相比，昆虫的碱性磷酸酶分布是有限的，主要在中肠组织中。昆虫体内存在膜结合碱性磷酸酶和可溶性碱性磷酸酶两种，主要以单体亚基结构存在，分子量约60kDa，可被半胱氨酸抑制。糖脂指含有糖基的脂质化合物，普遍存在于原核和真核细胞的质膜上，在神经细胞膜上糖脂含量较高，是生物体细胞膜结构的重要组分，可影响质膜的理化性质包括膜流动性、疏水性和表面张力等特征，进而影响毒素结构域I的α螺旋很难插入质膜。
总上所述，转基因作物因其独特的优势和经济效益等因素，近年到迅速发现而在世界上被广泛种植，其中转Bt基因作物占具很大一部分。然而转基因作物在带来各种效益的同时，越来越多的安全性事件的发生使人们不得不重新思考和评估转基因食品的安全性问题。Cry1Ab蛋白是Bt转基因蛋白中最常见和分布最广泛的转基因蛋白之一，对Cry1Ab蛋白的研究将为评估转基因食品的安全性问题提供实验依据和数据。
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