以基因驅動技術控制瘧疾傳播

方陵生/編譯

以基因驅動技術控制瘧疾傳播

方陵生/編譯

● 將基因修改引入蚊子種群有可能成為瘧疾控制的關鍵。

近年來，研究人員已對多個種類的瘧蚊進行了基因組測序，包括那些幾乎造成了非洲所有地方瘧疾傳播的瘧蚊。有了這些信息，研究人員開始對瘧蚊全面調查，確認瘧蚊能夠以人類為宿主傳播開來的基因基礎、瘧蚊的生殖生物學原理以及它們對瘧原蟲的易感性。如果我們知道決定瘧蚊關鍵性特征的基因或基因變異，如與原蟲轉陰及產卵等特性相關的基因，從理論上來說就可以將某些基因修改引入蚊子種群來降低瘧疾傳播率。

為實現這一想法，科學家探索了近20年時間，在此期間開發出了一種將基因修改引入蚊子種群的辦法，但迄今為止面臨的一個巨大挑戰就是：如何在短時期內將實驗室培養蚊子的基因修改在野生蚊子的整個種群中傳播開來。對于蚊子來說，在幾乎所有情況下，轉基因編碼的一些特征沒有進化上的積極意義，因此要讓這些基因修改隨著時間的推移作為自然選擇的結果在蚊子種群中迅速傳播開來是不太可能的。此外，即使將實驗室里的轉基因蚊子大量釋放野外，相對于非洲龐大的蚊子群體來說也仍然只占很小的一部分，杯水車薪，于事無補。然而如今，研究人員終于有了一種合理的解決方案：基因驅動，一種引入遺傳因子，用來“欺騙”孟德爾遺傳規則的技術。

在有性生殖的生物中，每條染色體都有兩個版本，基因的每一個版本通常都有50%的概率被傳遞給后代。基因驅動使用各種技巧來確保某種遺傳因子或包含這種遺傳因子的染色體能夠被有選擇地繼承下去。最有效的基因驅動可確保近100%的遺傳傾向性，其基因能夠被遺傳下去的頻率比非基因驅動的遺傳增加了1倍。如果一切順利的話，只要經歷10個世代，基因驅動就可導致轉基因蚊子在野外蚊子群體中的數量增加1 024倍。

大自然中也存在基因驅動現象，如自私基因或自私染色體入侵多個不同物種的例子。通過研究這些自私基因是如何成功的，研究人員希望可以利用基因驅動將基因修改在蚊子種群中傳播開來，哪怕這些修改是不利于蚊子個體健康的。如果成功，該策略將最終滅絕瘧疾這種在世界上持續時間最久、對人類危害最大的傳染病。

一個可怕的人類宿敵

早在20世紀初期，意大利醫生和動物學家喬瓦尼·格拉西（Giovanni Battista Grassi）與英國軍隊外科醫生羅納德·羅斯（Ronald Ross）確定，瘧疾是一種被瘧蚊雌蚊叮咬后在人類間傳播的疾病。他們的發現引發了一個多世紀來對蚊子生物學、多樣性和生態的研究。對瘧疾傳播媒介蚊子的了解直接導致了讓瘧疾得到有效控制的成功例子，在某些地區甚至完全消除了瘧疾。

實現了瘧疾根除的地區包括南歐和美國南部的幾個州，這些地區由于多種因素的結合，使得瘧疾的傳播得到了有效控制。這些地區感染者數量減少；在人類居住地附近，作為傳播媒介的蚊子密度降低。在撒哈拉以南非洲的某些地區，每年感染瘧疾的人數多達2億人；在瘧疾傳播地區，受到瘧原蟲感染的蚊子每天都在叮咬人類。由于這種種原因，非洲成了瘧疾傳播的重災區，2015年全球死于瘧疾的438 000人中，非洲占了90%以上。

目前的瘧疾控制方法主要包括：在蚊子繁殖地區大規模消滅蚊子，對蚊帳等用殺蟲劑噴灑處理，利用疫苗和目前證明不足以消除疾病的某些藥物預防瘧疾傳播等。一些研究人員開始轉向通過控制蚊子種群基因來消滅蚊子，這類方法可專門針對蚊子的某些族群并可自我維持下去，不需要反復投放轉基因蚊子，也不需要高標準的公共基礎設施。

基因驅動技術的相關研究

昆蟲群體中自然發生的基因驅動的例子在過去也是有案可查的。例如果蠅的轉位因子P能夠半隨機地在基因組的多個位置復制并粘貼自身，其效率之高甚至在20世紀不到60年的時間里“橫掃”了所有的野生種群。胞質內細菌屬的細菌沃爾巴克氏體被認為是一種自私基因因子，幾乎一半左右的昆蟲體內都含有這種沃爾巴克氏體，它們可通過生殖細胞系傳播并為雌性昆蟲提供生育上的相對優勢。從理論上來說，以上所述兩種基因因子都可以鏈接到與影響蚊子健康或蚊子對抗瘧疾寄生蟲能力的基因修改上。然而，轉位因子在基因組內不加區別轉移的性質以及讓大多數傳播瘧疾的蚊子種類感染沃爾巴克氏體細菌的難度阻礙了這種方法用于瘧疾控制。

幾年前，研究小組就決定開始調查這種自然的基因驅動方式是否也可應用于蚊子群體。首先，研究人員將一種歸巢核酸內切酶人工插入蚊子基因組的自然目標點內，然后測試插入核酸內切酶在同源染色體內的傳播能力。并利用啟動子序列以確保核酸內切酶專門在蚊子生殖細胞系表達，結果表明它可以作為一種基因驅動力，改變精子或卵子對后代的遺傳影響。

另一種通過基因驅動改變蚊子種群的方法是受到了一種被稱為歸巢內切酶的天然自私遺傳因子的啟發，這種自私基因存在于酵母和藻類等單細胞真核生物中。歸巢內切酶是一種DNA切割酶，切割效果非常精確，它們能夠在染色體上識別非常長的（也是非常罕見的）DNA目標序列，并將核酸內切酶編碼的基因插入到這個目標序列中，當這種酶接觸到染色體中不含核酸內切酶的同族體時，就會將完好無損的目標序列切割下來，促使細胞的DNA修復機制使用完好的染色體，其中包含的核酸內切酶基因可作為修補用的模板。（詳見封二圖示。）

這種類型的具有傾向性的遺傳機制取決于細胞用來修復斷裂染色體的路徑，而不是取決于核酸酶本身。研究顯示，這種類型的基因驅動可與任何類型針對某種DNA序列的酶結合在一起，包括CRISPR在內，通過將這些核酸酶插入染色體的目標點上，CRISPR基因編輯只需要單一的蛋白質（Cas9）和一個小小的引導RNA，就可以相對容易地設計一種在蚊子基因組內識別相關位點的核酸酶蛋白。結合多年來關于哪種類型的基因修改最有可能減少瘧疾傳播的研究成果，研究人員如今可通過基因驅動方法開發出有效的瘧疾控制途徑。（詳見封三圖示。）

轉基因蚊子控制瘧疾三大策略

轉基因蚊子控制疾病傳播有三大策略，這幾種方法在早期實驗室研究中表明有一定效果，但每種方法都有自己的優點和需要考慮的問題。

控制和減少蚊子種群數量消滅瘧疾可以想象到的最簡單的方式是減少蚊子種群數量，將目標瞄準對于雌蚊生育能力至關重要的某種基因。只有一份缺陷基因的副本是有生育能力的，但是這種基因會進入所有的生殖細胞中，由此將這種基因傳播到所有后代身上。基因驅動因子在蚊子群體出現頻率增多，其后代從父母處接受這種基因副本的概率也隨之增加，所有接受了這種基因副本的雌蚊都將不育，而所有接受了這種基因副本的雄性會繼續將這種基因驅動因子遺傳給它們所有的后代。

研究小組最近確認了3種與雌蚊生育能力相關的基因，這些基因有可能成為實施這種方法的適合目標。實驗室里小規模種群實驗表明，設計用來破壞其中某個基因的基因驅動可在整個種群中擴散開來。另一種類似的選擇是以蚊子基因組內對寄生蟲傳播必不可少的基因為目標，如寄生蟲與之結合以進入細胞的特定受體。

改變蚊子性別比例因為只有雌蚊才會傳播瘧疾，任何將蚊子種群性別比向雄蚊傾斜的干預措施都有助于降低疾病傳播率。研究小組還表示，岡比亞瘧蚊在精子成熟期間，可通過傳遞一種在數百個副本中專門針對某個重復序列的核酸酶，有選擇地破壞X染色體。這種核酸酶會粉碎X染色體，結果存活下來的精子中95%含有Y染色體，產生的雄性后代都會含有這種核酸酶。研究人員目前正努力在這種核酸內切酶基因與Y染色體之間建立聯系，讓這種核酸酶作為一種驅動基因在整個蚊子種群中擴散開來，最終蚊子種群將因缺少交配所需的雌蚊而導致整個蚊子種群崩潰。

提高蚊子對抗瘧疾寄生蟲能力第3個選項是為蚊子配備某種直接對抗瘧疾寄生蟲的藥物，這種方法的預期效果取決于加載物的性質，而不是基因驅動所瞄準的染色體的位置。研究者建議了一系列的抗菌肽，包括天然的與合成的。2015年，研究人員成功在斯氏按蚊（斑須按蚊）中實行基因驅動方法，包括利用基因編碼單鏈抗體與瘧原蟲的表面蛋白結合并對其加以抑制。這項研究已在一代蚊子中顯示了基因驅動對遺傳傾向性的影響，但對寄生蟲的影響尚未被證實，還有待對圈養蚊子種群做進一步測試。

基因驅動技術的潛力與前景

基因驅動對于昆蟲媒介和害蟲數量的控制潛力巨大，這種方法具有物種特異性、自我維持、長期有效性和成本效益等特點。基因驅動可作為現有的消滅瘧疾方法的補充，比如疫苗開發、抗瘧藥和包括殺蟲劑、蚊帳等在內的傳統的蚊子媒介控制方法。

基因驅動用于瘧疾控制仍處于起步階段，每個不同的方法都要面臨必須克服的巨大技術障礙。基因驅動是通過專門的基因設計將不利于蚊子的基因在蚊子種群中傳播開來，但它同時也會在蚊子種群中生成一種選擇壓力，降低蚊子繁殖率要比改變蚊子傳播寄生蟲能力的策略更勝一籌。

最明顯的抵抗體現在核酸內切酶目標點可能的序列變異，這樣的變化可能已經存在于群體中，但如果被破壞的目標點的DNA修復是通過一種稱為非同源末端連接的修復機制，而不是通過復制同源染色體（同源介導修復）的修復機制，變異的積累速度可能較低。幾種不同方式結合可以降低風險，如選擇有很強序列保護或基因驅動因子多路復用的點。例如，以CRISPR基因編輯技術為基礎的基因驅動可能包括多個不同的向導RNA，所有向導RNA抗裂的可能性就會降低，類似于與抗生素聯合療法。

另一方面，通過基因驅動運送抗寄生蟲藥物，瘧疾寄生蟲耐藥性篩選取決于蚊子和瘧原蟲菌株的遺傳背景以及溫度等環境因素。最終選擇哪一種方法還要根據具體的疾病傳播情況和昆蟲媒介種類的生態狀況。

任何在實驗室里顯示效果的基因驅動方法都必須在受到嚴格限制的大籠子里進行大量測試，以觀察介入規模放大后的情況，如基因驅動因子是否穩定，是否產生抵抗或有脫靶效應出現的跡象等。對特定地區蚊子的分布、遺傳異質性和基因流等背景調查也是必不可少的。

此外，與任何新技術一樣，對這種方法的倫理和生態影響的仔細評估也是必要的。為此我們非常贊同最近研究界達成一致的基因驅動技術安全開發、實施和控制的原則，美國國家科學院在最近的一份報告中也鼓勵以謹慎的漸近的方式來構建、測試和實施基因驅動技術。雖然有了以上總體指導原則，但對任何蚊子群體部署基因驅動控制措施時，都應該在個案基礎上進行評估。以岡比亞瘧蚊為例，監管部門要在控制這種造成巨大健康和經濟負擔的疾病所帶來的潛在好處與各種風險之間進行權衡。

最后，最重要的是，部署基因驅動技術的決定不應該也不取決于設計這項技術的科學家，而是取決于那些受疾病困擾的國家和社區所做出的選擇，需要各級利益相關者進行開放式對話，以確保在計劃實施之前達成共識。

[資料來源：The Scientist][責任編輯：彥 隱]

本文作者托尼·諾蘭（Tony Nolan）是倫敦帝國理工學院分子生物學家和高級研究員；另一位作者安德里亞·克里桑蒂（Andrea Crisanti）是該學院的分子寄生蟲學教授。