基因滅蟲的發(fā)展現(xiàn)狀

王梧嵋

早在20世紀(jì)初期，人們便發(fā)現(xiàn)瘧疾這種靠瘧蚊叮咬、在人類間廣泛傳播的疾病。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年全球大約有2.16億人感染瘧疾，約44.5萬人因此而死亡（較2015年增加了0.7萬人）。而另一方面，農(nóng)作物病蟲害是常見農(nóng)業(yè)病害之一。作物病蟲害發(fā)生頻繁且易暴發(fā)成災(zāi)，常造成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及國民經(jīng)濟(jì)重大損失。除農(nóng)作物病蟲害本身帶來的減產(chǎn)外，在生產(chǎn)上為了保證農(nóng)作物的產(chǎn)量又經(jīng)常出現(xiàn)盲目用藥和過度用藥的現(xiàn)象，農(nóng)藥殘留也會(huì)造成水土環(huán)境污染。因此，面對瘧蚊和農(nóng)作物病蟲的威脅，尋求安全有效，且能持續(xù)控制蚊蟲的方法迫在眉睫。

1 遺傳防控技術(shù)

與傳統(tǒng)的化學(xué)或物理防控策略相比，遺傳防控技術(shù)是一種在作用對象上更精準(zhǔn)（從而降低了對生態(tài)環(huán)境的不良影響），在作用范圍上更廣泛（既包括時(shí)間上的延續(xù)性，也包括空間上對種群的覆蓋度）的新技術(shù)。遺傳防控技術(shù)的核心思想是：通過自然環(huán)境下蚊蟲的交配， 將研究人員選擇的某些特定的性狀引入到野生種群中。如果這些被引入的性狀發(fā)生突變或它們靶標(biāo)的基因?qū)σ吧N群的生長發(fā)育或交配繁殖產(chǎn)生了影響， 那么這些性狀或基因通過在蚊群體內(nèi)的快速散播，不僅可以阻止一些疾病的傳播，甚至可以殺死一個(gè)具有破壞性的物種。

目前，國內(nèi)外研究的遺傳防控技術(shù)包括三大類：不育昆蟲技術(shù)、攜帶顯性致死基因昆蟲釋放技術(shù)和基因驅(qū)動(dòng)技術(shù)。

不育昆蟲技術(shù)由來已久。在20世紀(jì)70年代，包括美國、巴拿馬、墨西哥、哥斯達(dá)黎加在內(nèi)的多個(gè)國家就開始運(yùn)用這一技術(shù)防治新大陸螺旋蠅。不育昆蟲技術(shù)的原理，就是通過輻射或不育劑人工誘導(dǎo)不育蚊蟲，再將它們釋放到野外，從而逐漸降低群體出生率，達(dá)到減少蚊蟲總量的目的。攜帶顯性致死基因昆蟲釋放技術(shù)和不育昆蟲技術(shù)的不同在于，前者通過在蚊蟲的基因組內(nèi)插入可條件性表達(dá)的致死基因，獲得了可穩(wěn)定遺傳的昆蟲材料;而后者僅是破壞蚊蟲基因。這兩種技術(shù)都是自我限定型的種群控制方法，即親本接受遺傳改造后被釋放到野外，可以將突變遺傳給子一代，但是不育或顯性致死這樣的性狀都會(huì)隨著時(shí)間推移而消失， 為了維持這種抑制效果就不得不周期性地釋放基因改造蚊蟲。

為此，研究人員繼續(xù)開發(fā)自我維持型的基因驅(qū)動(dòng)技術(shù)。本文將重點(diǎn)介紹基因驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。

2 基因驅(qū)動(dòng)技術(shù)

基因驅(qū)動(dòng)技術(shù)的想法聽起來非常簡單，通過動(dòng)物群體快速散播影響或阻斷關(guān)鍵通路的基因，以達(dá)到控制或消滅有害種群、阻止疾病傳播的目的。基因驅(qū)動(dòng)這個(gè)概念本身，是指自然條件下某些特定的基因型或性狀在種群中被有偏好性地遺傳給后代的現(xiàn)象。有性繁殖生物的遺傳規(guī)則符合經(jīng)典的孟德爾遺傳規(guī)律，通常情況下子代有50∶50的機(jī)會(huì)從父母親本那里繼承一個(gè)基因。而基因驅(qū)動(dòng)改變了這些可能性，優(yōu)先地將一個(gè)特定的基因版本傳遞給后代，直到理論上整個(gè)群體都攜帶該基因。這種“自私的”遺傳方式在小鼠、甲蟲和許多其他生物中自然發(fā)生，這為研究并借鑒它們以對抗蚊蟲提供了基礎(chǔ)。

目前，基因驅(qū)動(dòng)技術(shù)的核心是新興的CRISPR-Cas9技術(shù)。CRISPR/Cas系統(tǒng)是古細(xì)菌和部分細(xì)菌在自然條件下遺傳進(jìn)化所獲得的免疫系統(tǒng)，時(shí)至今日已發(fā)展出基因編輯的重要工具。在此基礎(chǔ)上，利用CRISPR-Cas9技術(shù)可將突變從一條染色體復(fù)制到另一條染色體。

3 基因驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展和障礙

自2014年以來，科學(xué)家們已經(jīng)在蚊子、果蠅中設(shè)計(jì)了基于CRISPR-Cas9的基因驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。2015年7月證實(shí)，基因驅(qū)動(dòng)體系可以讓色素突變基因在實(shí)驗(yàn)室中的果蠅群體之間幾乎完全地進(jìn)行傳播。2015年末，研究人員在實(shí)驗(yàn)室條件下利用CRISPR基因驅(qū)動(dòng)將雌性蚊子的不育癥突變傳遞給了所有子一代。

隨著基因滅蟲的發(fā)展，這一技術(shù)的障礙也漸漸浮現(xiàn)。一方面，2015年末，在一場由美國國家科學(xué)院、工程院和醫(yī)學(xué)院（NAS）于華盛頓特區(qū)所辦的研討會(huì)上，多位科學(xué)家提出，基因驅(qū)動(dòng)僅在有性繁殖物種中起作用，且這種基因改變的散播是基于每一次成功的遺傳?；谀M的結(jié)果——驅(qū)動(dòng)技術(shù)必須得持續(xù)20代以完全散播，那么對于許多脊椎動(dòng)物，將需要數(shù)十年的時(shí)間導(dǎo)入基因突變或特性，并需要更多時(shí)間才能使其廣泛傳播、形成顯著改變。另一方面，2017年研究人員在意大利中部的小城市特爾尼利用先進(jìn)的蚊子籠進(jìn)行基因驅(qū)動(dòng)研究，這些每個(gè)占地150立方米的蚊子籠模擬了非洲岡比亞的蚊子自然棲息地，而在這一研究中發(fā)現(xiàn)了蚊子對基因驅(qū)動(dòng)的抵抗。正如抗生素使抗藥性細(xì)菌興起一樣，基因驅(qū)動(dòng)也為抗性生物的繁殖創(chuàng)造了條件，野生種群幾乎肯定會(huì)對這些后天修改產(chǎn)生抵抗力。這種抗性的一個(gè)來源是CRISPR系統(tǒng)本身和較高的脫靶效應(yīng)，另一條途徑是自然遺傳進(jìn)化。最近的一項(xiàng)研究分析了來自非洲各地的765種野生蚊蟲的基因組，在其中發(fā)現(xiàn)了極端的遺傳多樣性，這種多樣性將限制基因驅(qū)動(dòng)效率。

針對這一抗性情形的出現(xiàn)，研究人員們提出了兩種策略。一是選擇正確的靶標(biāo)，挑選種群中高度保守的基因作為基因驅(qū)動(dòng)的靶標(biāo)，將出現(xiàn)更少的突變和更少的抗性。另一種是多基因驅(qū)動(dòng)的想法，同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)靶向基因，或同一基因內(nèi)的幾個(gè)位點(diǎn)，可以降低種群內(nèi)抗性發(fā)展的速度。

2018年9月，Crisanti和他的團(tuán)隊(duì)在降低抗性的設(shè)計(jì)前提下，利用基因驅(qū)動(dòng)以100%的效率破壞了一群岡比亞按蚊的名為doublesex的生育基因。被基因改造的雌性蚊子不能叮咬人或動(dòng)物，也不會(huì)產(chǎn)卵;而當(dāng)它們在籠養(yǎng)條件下傳播入種群中，在8～12代之內(nèi)，籠養(yǎng)的蚊子種群都不產(chǎn)卵。

科學(xué)家們預(yù)計(jì)，三年后可實(shí)現(xiàn)工程化的基因驅(qū)動(dòng)動(dòng)物被釋放到野外。

4 基因驅(qū)動(dòng)技術(shù)的爭議和前景

由于理論上基因驅(qū)動(dòng)技術(shù)可徹底消滅一些入侵物種，一些科學(xué)家呼吁增強(qiáng)對這種技術(shù)的管制，因?yàn)樗坏┍环判袑⒑茈y被停下來或是被逆轉(zhuǎn)。同時(shí)，在基因流中兩個(gè)物種之間的成功交配，可能會(huì)導(dǎo)致基因驅(qū)動(dòng)的突變帶進(jìn)意外物種——比如在利用基因驅(qū)動(dòng)抗瘧時(shí)一個(gè)物種的跳躍基因驅(qū)動(dòng)可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的物種消亡。來自俄亥俄州立大學(xué)哥倫布分校的植物生物學(xué)家Allison Snow說：“我們將擁有改變基因組和更改群落內(nèi)物種平衡的能力，這也將潛藏很多的無知、人為的錯(cuò)誤，或故意的傷害。”2015年底，NAS組織了一個(gè)委員會(huì)評估這項(xiàng)技術(shù)，包括基因驅(qū)動(dòng)研究的科學(xué)、倫理和監(jiān)管信息等方面。委員會(huì)報(bào)告指出，須了解更多該技術(shù)的生態(tài)效應(yīng)、靶標(biāo)的特異性以及工作者進(jìn)行有效基因改變的能力。2017年，美國國防部高級研究計(jì)劃局的安全基因項(xiàng)目宣布，它將花費(fèi)6500萬美元資助研究如何控制、對抗和逆轉(zhuǎn)基因驅(qū)動(dòng)。

針對基因滅蟲的利弊，基因驅(qū)動(dòng)接下來的發(fā)展應(yīng)注重解決兩個(gè)問題。

第一，技術(shù)本身的完善。CRISPR-Cas9基因編輯需要變得更加精確，基因選取上更加巧妙以降低抗性，需要在實(shí)驗(yàn)前掌握哪些動(dòng)物存在跨物種繁殖現(xiàn)象。第二，技術(shù)思路的調(diào)整。應(yīng)采取一些在生態(tài)上更為安全的方法，如改變蚊子的基因使其不能向人類傳播瘧疾病原體，或者“故障自趨”策略，讓基因驅(qū)動(dòng)技術(shù)在影響某物種數(shù)代之后能夠逐漸消失，或研究人員可以決定何時(shí)停止一種基因的擴(kuò)散。

此外，基因驅(qū)動(dòng)的用途還包括保護(hù)脆弱的生態(tài)系統(tǒng)。遺傳生物防治入侵性嚙齒類動(dòng)物（The Genetic Biocontrol of Invasive Rodents， GBIRd）項(xiàng)目希望能利用基因驅(qū)動(dòng)小鼠。而與此同時(shí)，就像GBIRd的項(xiàng)目經(jīng)理Royden Saah指出的一樣，“我們要確保我們做得對。無論技術(shù)發(fā)展多么迅速，我們都需要推進(jìn)社會(huì)科學(xué)和倫理。”