基因驅(qū)動(dòng)與人蚊大戰(zhàn)

楊欣

目前，寨卡病在南美的流行和進(jìn)入中國(guó)讓人們更加重視蚊子傳播的疾病。蚊子能傳播80多種疾病，很多疾病都能導(dǎo)致嚴(yán)重健康問(wèn)題，并導(dǎo)致人死亡或產(chǎn)生畸形，如瘧疾、黃熱病、登革熱、流行性乙型腦炎、基孔肯雅熱、淋巴絲蟲(chóng)病和寨卡病等。

由此，研究人員在不斷思考，如何戰(zhàn)勝由蚊子傳播的疾病。在基因編輯技術(shù)CRISPR

Cas9顯示出巨大的改造基因和戰(zhàn)勝疾病的潛力時(shí)，人們想到了基因驅(qū)動(dòng)可能是戰(zhàn)勝蚊子，從而減少或杜絕其傳播疾病的重要武器。

基因驅(qū)動(dòng)是什么？

基因驅(qū)動(dòng)是一種技術(shù)，最早是2003年由英國(guó)倫敦帝國(guó)理工學(xué)院進(jìn)化遺傳學(xué)教授奧斯汀·伯特提出的，指的是一個(gè)能夠快速將特定性狀擴(kuò)散到群體中去的系統(tǒng)，也即通過(guò)特定基因把某些生物性狀迅速傳遞到一個(gè)生物種群中。這種技術(shù)目前發(fā)展最快的是CRISPRCas9。一般來(lái)說(shuō)物種中都會(huì)存在這樣一些基因，它們?cè)诜敝车倪^(guò)程中被遺傳的概率比普通基因高出50%。即使這些基因可能導(dǎo)致個(gè)體的適應(yīng)性下降，它們也可以很容易在生物群體中散播。

根據(jù)基因驅(qū)動(dòng)的理論，人們可以將一些人為改造的基因散播到野生生物群體中，以控制某些生物群體?；虻母脑彀ɑ虻脑鎏怼⑵茐幕蛘咝揎?，從而減少個(gè)體的生育能力。這也意味著人工改造的基因驅(qū)動(dòng)有可能把一些特定的目標(biāo)基因?qū)胍恍┮吧锓N群中進(jìn)行擴(kuò)散，抑制有害生物物種，甚至造成一些對(duì)人有害的野生種群的滅絕。

現(xiàn)在，對(duì)于人類(lèi)來(lái)說(shuō)，這樣的野生種群最佳的候選者就是蚊子。因?yàn)樗鼈兡軅鞑ズ芏嗉膊。绻没蝌?qū)動(dòng)讓蚊子滅絕，就有可能大大減少這些疾病的產(chǎn)生，更沒(méi)有必要服藥治病了，因?yàn)榧幢惴幹尾?，病原體也會(huì)很快產(chǎn)生耐藥性而讓藥物失效，如瘧原蟲(chóng)對(duì)藥物產(chǎn)生耐藥性。

根據(jù)基因作用的類(lèi)型，可以把基因驅(qū)動(dòng)分為幾類(lèi)，但這只是初步的分類(lèi)，如內(nèi)切酶基因驅(qū)動(dòng)、性連鎖減數(shù)分裂驅(qū)動(dòng)和顯性不足基因驅(qū)動(dòng)等。以?xún)?nèi)切酶基因驅(qū)動(dòng)為例，基因驅(qū)動(dòng)技術(shù)一般通過(guò)序列特異性的內(nèi)切酶構(gòu)建，比如轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應(yīng)物核酸酶（TALEN）、鋅指酶或者CRISPRCas9。在減數(shù)分裂的細(xì)胞中，如果一個(gè)拷貝的染色體含有能表達(dá)的內(nèi)切酶基因，這種酶就會(huì)切割另一個(gè)染色體形成雙鏈斷裂。細(xì)胞在進(jìn)行修復(fù)的時(shí)候，會(huì)將第一個(gè)染色體當(dāng)作模板，把內(nèi)切酶基因拷貝到第二個(gè)染色體中。在理論上，每一個(gè)后代都會(huì)攜帶該基因的一個(gè)拷貝。

CRISPRCas9技術(shù)就是一種非常有效的內(nèi)切酶基因驅(qū)動(dòng)。CRISPR是“規(guī)律的成簇間隔短回文重復(fù)”的英文簡(jiǎn)寫(xiě)，Cas是Caspase的簡(jiǎn)稱(chēng)，即“含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶”。CRISPR與Cas9結(jié)合起來(lái)就成為一種精準(zhǔn)的基因剪刀，可以對(duì)特定基因進(jìn)行增添、刪除、破壞或者修飾，從而讓某些基因在某一生物群體，如蚊子中擴(kuò)散，讓其滅種。

不過(guò)，研究人員發(fā)現(xiàn)，在目前的情況下，基因驅(qū)動(dòng)只在少數(shù)生物中能發(fā)揮作用，如酵母、果蠅和蚊子。顯然，蚊子是現(xiàn)在人們最想利用基因驅(qū)動(dòng)來(lái)對(duì)其滅種的生物。

蚊子是基因驅(qū)動(dòng)的首選目標(biāo)

蚊子對(duì)人類(lèi)的殺傷最大，致死的人也最多。世界衛(wèi)生組織和世界糧農(nóng)組織的一份統(tǒng)計(jì)顯示，被視為海洋中頭號(hào)殺手的鯊魚(yú)每年在全球殺死的人不過(guò)10位，但是，蚊子每年在全球殺死的人高居第一，有72.5萬(wàn)人，人類(lèi)對(duì)自己同類(lèi)每年相互殺戮而致死的人高居第二，有47.5萬(wàn)人。蚊子每年殺人比人類(lèi)自相殘殺還多出25萬(wàn)。其中，蚊子傳播的幾種疾病，如瘧疾、登革熱和黃熱病等是殺人最多的疾病。

瘧疾是由按蚊傳播的。按蚊喜歡夜晚出沒(méi)，在農(nóng)村、有樹(shù)林的城市和河邊、濕地等地方，按蚊是最活躍的。按蚊傳播的瘧疾病例每年達(dá)三五千萬(wàn)。從世界范圍看，瘧疾主要在非洲、南美洲和亞洲南部流行，潛在感染人口數(shù)量在32億，幾乎占世界總?cè)丝诘囊话搿Ｊ澜缧l(wèi)生組織2015年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，共有97個(gè)國(guó)家和地區(qū)發(fā)生瘧疾，瘧疾感染者超過(guò)2140萬(wàn)，導(dǎo)致43.8萬(wàn)人死亡，其中大部分是兒童，平均每一分鐘就有一名兒童死于瘧疾。

另一種吸血和傳播疾病的蚊子是伊蚊，但是它與按蚊不同，不是在夜間行動(dòng)，而是喜歡在大白天公然作案，主要作案點(diǎn)是在城市。它們叮咬人后不僅傳播登革熱、黃熱病、基孔肯雅熱、淋巴絲蟲(chóng)病，還傳播寨卡病。

過(guò)去，人們對(duì)伊蚊傳播的登革熱并不以為然，但是這一疾病感染和殺死的人數(shù)可能僅次于瘧疾。登革熱的流行區(qū)域主要在熱帶和亞熱帶地區(qū)，其潛在感染人口數(shù)量在25億～30億，占世界總?cè)丝诘?0%。20世紀(jì)60年代以來(lái)，登革熱患者數(shù)量一直在顯著上升，每年有5000萬(wàn)～5.28億人染病，造成約2.5萬(wàn)人死亡。

此外，伊蚊傳播的黃熱病俗稱(chēng)“黃杰克”“黑嘔”，是由黃熱病病毒所致的急性傳染病，主要媒介在城市是埃及伊蚊，在農(nóng)村為趨血蚊和非洲伊蚊，傳播途徑是蚊子的叮咬。在黃熱病疫苗發(fā)明前，這一疾病的病死率高達(dá)80%，每年在全球要?dú)⑺缼资f(wàn)人。一個(gè)著名的事例發(fā)生在1802年，法國(guó)的拿破侖派遣了一支25000人的軍隊(duì)到西印度群島（南北美大陸間的群島）的卡伊德島去鎮(zhèn)壓當(dāng)?shù)胤磁逊肿印５?，軍?duì)登陸后大部分人都染上了黃熱病，并導(dǎo)致23000人死亡，病死率達(dá)到92%。對(duì)此，拿破侖也束手無(wú)策，只好任憑余下的2000名殘兵敗將逃離。也因此，黃熱病擊敗了所向披靡的拿破侖軍隊(duì)。

20世紀(jì)30年代后，由于發(fā)明了黃熱病疫苗，由蚊子傳播的黃熱病導(dǎo)致的死亡人數(shù)劇減，南非的馬克斯·泰勒也因發(fā)現(xiàn)黃熱病疫苗而獲得1951年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

今天如果能利用基因驅(qū)動(dòng)，就可以滅絕蚊子，從而也能征服由蚊子傳播的多種疾病?，F(xiàn)在，按蚊和伊蚊就是人類(lèi)最主要的征服對(duì)象。

轉(zhuǎn)基因蚊讓蚊子毀滅

為了達(dá)到基因驅(qū)動(dòng)毀滅蚊子的目的，可以采用各種轉(zhuǎn)基因技術(shù)生成轉(zhuǎn)基因蚊，然后讓這些蚊子攜帶的轉(zhuǎn)基因發(fā)揮作用，在種群中擴(kuò)散，經(jīng)過(guò)多代繁衍，讓某一蚊子種群自毀。

在利用CRISPRCas9技術(shù)進(jìn)行基因驅(qū)動(dòng)之前，研究人員就采用了“昆蟲(chóng)顯性致死釋放技術(shù)”（RIDL）來(lái)生產(chǎn)轉(zhuǎn)基因蚊。轉(zhuǎn)基因蚊的雌蚊不能存活（只有雌蚊叮人），雄蚊能存活，再通過(guò)釋放雄蚊與野生雌蚊交配，將外源性基因傳遞到蚊子的若干代，最后讓目標(biāo)蚊子，如埃及伊蚊、白紋伊蚊和岡比亞按蚊等種群滅絕。

昆蟲(chóng)顯性致死釋放技術(shù)的核心是構(gòu)建一個(gè)復(fù)合轉(zhuǎn)座子（外源性基因，即轉(zhuǎn)入的基因），包括體外連接昆蟲(chóng)轉(zhuǎn)座子、特異啟動(dòng)子、顯性致死基因、轉(zhuǎn)錄激活域、熒光標(biāo)記等元件，復(fù)合轉(zhuǎn)座子的活性開(kāi)關(guān)由四環(huán)素控制，在昆蟲(chóng)轉(zhuǎn)座子的引導(dǎo)下，復(fù)合轉(zhuǎn)座子插入蚊子基因組，形成轉(zhuǎn)基因蚊。

由于復(fù)合轉(zhuǎn)座子不同，昆蟲(chóng)顯性致死釋放技術(shù)可以產(chǎn)生雙性（雌性和雄性）品系的轉(zhuǎn)基因蚊和單性（雌性）品系的轉(zhuǎn)基因蚊。在正常飼喂四環(huán)素時(shí)，雙性品系能正常生長(zhǎng)出雄蚊和雌蚊，然后去除雌蚊，把雄蚊大量釋放到野外與野生雌蚊交配，由于缺乏四環(huán)素抑制，復(fù)合轉(zhuǎn)座子活性開(kāi)啟，蚊子的后代將無(wú)法存活。

雌性品系在飼喂四環(huán)素的情況下同樣能正常生長(zhǎng)，但如果停用四環(huán)素，復(fù)合轉(zhuǎn)座子活性開(kāi)啟，只有雄蚊才能存活并被大量釋放，其雌性后代在復(fù)合轉(zhuǎn)座子作用下死亡，而雄性后代繼續(xù)攜帶復(fù)合轉(zhuǎn)座子與野生雌蚊交配。經(jīng)過(guò)若干世代后復(fù)合轉(zhuǎn)座子的基因拷貝擴(kuò)散到野生種群的所有個(gè)體，使某一種群滅絕。

現(xiàn)在，一種雙性品系的轉(zhuǎn)基因埃及伊蚊OX513A已在開(kāi)曼群島和巴西進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)。結(jié)果顯示，釋放的OX513A雄蚊與當(dāng)?shù)匾吧畚镁哂型鹊母?jìng)爭(zhēng)力和與雌蚊交配的能力，并且能夠顯著降低當(dāng)?shù)匾吧＜耙廖玫姆N群密度。還有研究表明，OX513A對(duì)野生蚊子種群的抑制率達(dá)95%，幾乎讓某一地方的伊蚊滅絕，如此就能有效防止登革熱、黃熱病和寨卡病等的傳播。但是這一結(jié)果還需要更多的研究才能證實(shí)。

另一方面，基因編輯技術(shù)CRISPRCas9也可以完成基因驅(qū)動(dòng)，以閹割的方式滅掉某一蚊子種群。2015年研究人員發(fā)現(xiàn)了雄蚊有一種名為Nix的基因，是一種雄性決定基因?，F(xiàn)在，美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)的研究人員嘗試用CRISPRCas9技術(shù)把Nix基因加入到雌蚊胚胎的基因組中，如此就會(huì)產(chǎn)生更多的雄蚊或不育的雄蚊，從而減少雌蚊的數(shù)量，因?yàn)橹挥写莆貌哦Ｈ藗鞑ゼ膊　?/p>

當(dāng)然，這僅僅是一個(gè)開(kāi)始。如果實(shí)驗(yàn)室中取得了理想的結(jié)果，還需要進(jìn)行野外試驗(yàn)，以檢驗(yàn)這種方式產(chǎn)生的轉(zhuǎn)基因蚊是否會(huì)讓某一種群的蚊子滅絕，或者由于雌蚊的大量減少而使蚊子叮人傳播疾病的機(jī)會(huì)大大減少。這對(duì)于防止瘧疾、黃熱病、登革熱、寨卡病等會(huì)起到很大的作用。

可能有副作用

基因驅(qū)動(dòng)同樣可能產(chǎn)生副作用，因?yàn)槔眠@一原理可以制造生物武器，包括CRISPRCas9在內(nèi)的可以實(shí)施基因驅(qū)動(dòng)的基因編輯技術(shù)已經(jīng)被美國(guó)官方宣布為潛在的大規(guī)模殺傷性武器。

從原理上看，基因驅(qū)動(dòng)如果能使蚊子滅絕，同樣也存在著讓包括人在內(nèi)的其他物種滅絕的可能，當(dāng)然，具體是哪種轉(zhuǎn)基因技術(shù)會(huì)威脅到人，可能現(xiàn)在還不明確，但不排除可能出現(xiàn)這樣的生物武器。

另一方面，即便研發(fā)轉(zhuǎn)基因蚊不會(huì)對(duì)人有危害，也需要考慮生態(tài)副作用。用轉(zhuǎn)基因蚊滅絕蚊子當(dāng)然對(duì)人類(lèi)有利，但是，當(dāng)蚊子這個(gè)人類(lèi)強(qiáng)大的敵人滅絕后也需要評(píng)估和解決可能會(huì)產(chǎn)生的一些人類(lèi)意想不到的后果。蚊子是自然生態(tài)中的一個(gè)生物鏈，如果蚊子滅絕了，那么以蚊子為生的壁虎、蜥蜴、蜘蛛、蝙蝠、蜻蜓、青蛙、魚(yú)、燕子和麻雀等生物是否會(huì)跟著衰亡和滅絕。

當(dāng)然，即便壁虎、蜥蜴、蜘蛛、蝙蝠、蜻蜓等生物可能找到其他食物來(lái)代替蚊子，不會(huì)滅絕，但是，當(dāng)這些生物在吃轉(zhuǎn)基因蚊的時(shí)候會(huì)不會(huì)受到傷害，或許讓它們也被動(dòng)接受有害的轉(zhuǎn)基因，造成這些動(dòng)物的絕育和傷害。正是這些原因使得世界衛(wèi)生組織在鼓勵(lì)嘗試用轉(zhuǎn)基因蚊來(lái)滅蚊的同時(shí)，也提出要進(jìn)行更多的風(fēng)險(xiǎn)測(cè)評(píng)。

有專(zhuān)家指出，人類(lèi)盡管有力量，但未必能滅絕蚊子，因?yàn)槲米颖热祟?lèi)的生存時(shí)間還長(zhǎng)，生命力也更旺盛。在1.7億年前的侏羅紀(jì)就已經(jīng)演化出蚊子的始祖，在距今4600萬(wàn)年前的白堊紀(jì)蚊子已經(jīng)是自然界的主人之一，而人類(lèi)即便以最早的猿人計(jì)算，也不過(guò)只有600萬(wàn)～800萬(wàn)年的歷史。

轉(zhuǎn)基因蚊當(dāng)然值得一試，但是，在面臨人與自然和生態(tài)的關(guān)系時(shí)，首要的選擇應(yīng)是生存和允許生存，或共生，其次才是趕盡殺絕某一物種。所以，用多種方法，如蚊帳、藥物、熏趕等，再加上轉(zhuǎn)基因蚊的嘗試，多種方法并舉，才能長(zhǎng)久控制和減少蚊子的危害。

人類(lèi)要征服蚊子還可以運(yùn)用一種成本小、危害小、副作用少且效果好的方法，如對(duì)蚊子輻射，令其喪失生育力，從而減少蚊子或讓某種蚊子滅絕。巴西現(xiàn)在正在進(jìn)行這類(lèi)研究，該國(guó)的一家非營(yíng)利機(jī)構(gòu)每周最多可飼養(yǎng)1200萬(wàn)只雄蚊，然后用鈷-60輻射器對(duì)其進(jìn)行絕育。未來(lái)這些雄蚊將被放到目標(biāo)區(qū)域與野生雌蚊交配，以驗(yàn)證是否會(huì)讓雌蚊絕育。

此外，巴西的奧斯瓦爾多·克魯斯基金會(huì)生物醫(yī)藥研究所已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)雄蚊輻射絕育，讓其與雌蚊交配，雌蚊產(chǎn)下的卵中有70%無(wú)繁殖力?，F(xiàn)在，研究人員在離巴西東北海岸350千米的費(fèi)爾南多·迪諾羅尼亞島投放了3萬(wàn)只絕育蚊子，以試驗(yàn)是否達(dá)到與實(shí)驗(yàn)室中一樣的效果。如果這一方法成功并獲得批準(zhǔn)，將是人類(lèi)戰(zhàn)勝蚊子的一種更好的方法。

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