以基因驅(qū)動(dòng)技術(shù)控制瘧疾傳播

方陵生/編譯

以基因驅(qū)動(dòng)技術(shù)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(guān)鍵。

近年來(lái)，研究人員已對(duì)多個(gè)種類(lèi)的瘧蚊進(jìn)行了基因組測(cè)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(kāi)始對(duì)瘧蚊全面調(diào)查，確認(rèn)瘧蚊能夠以人類(lèi)為宿主傳播開(kāi)來(lái)的基因基礎(chǔ)、瘧蚊的生殖生物學(xué)原理以及它們對(duì)瘧原蟲(chóng)的易感性。如果我們知道決定瘧蚊關(guān)鍵性特征的基因或基因變異，如與原蟲(chóng)轉(zhuǎn)陰及產(chǎn)卵等特性相關(guān)的基因，從理論上來(lái)說(shuō)就可以將某些基因修改引入蚊子種群來(lái)降低瘧疾傳播率。

為實(shí)現(xiàn)這一想法，科學(xué)家探索了近20年時(shí)間，在此期間開(kāi)發(fā)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(gè)巨大挑戰(zhàn)就是：如何在短時(shí)期內(nèi)將實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)蚊子的基因修改在野生蚊子的整個(gè)種群中傳播開(kāi)來(lái)。對(duì)于蚊子來(lái)說(shuō)，在幾乎所有情況下，轉(zhuǎn)基因編碼的一些特征沒(méi)有進(jìn)化上的積極意義，因此要讓這些基因修改隨著時(shí)間的推移作為自然選擇的結(jié)果在蚊子種群中迅速傳播開(kāi)來(lái)是不太可能的。此外，即使將實(shí)驗(yàn)室里的轉(zhuǎn)基因蚊子大量釋放野外，相對(duì)于非洲龐大的蚊子群體來(lái)說(shuō)也仍然只占很小的一部分，杯水車(chē)薪，于事無(wú)補(bǔ)。然而如今，研究人員終于有了一種合理的解決方案：基因驅(qū)動(dòng)，一種引入遺傳因子，用來(lái)“欺騙”孟德?tīng)栠z傳規(guī)則的技術(shù)。

在有性生殖的生物中，每條染色體都有兩個(gè)版本，基因的每一個(gè)版本通常都有50%的概率被傳遞給后代。基因驅(qū)動(dòng)使用各種技巧來(lái)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(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)的遺傳增加了1倍。如果一切順利的話(huà)，只要經(jīng)歷10個(gè)世代，基因驅(qū)動(dòng)就可導(dǎo)致轉(zhuǎn)基因蚊子在野外蚊子群體中的數(shù)量增加1 024倍。

大自然中也存在基因驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象，如自私基因或自私染色體入侵多個(gè)不同物種的例子。通過(guò)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(qū)動(dòng)將基因修改在蚊子種群中傳播開(kāi)來(lái)，哪怕這些修改是不利于蚊子個(gè)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(xù)時(shí)間最久、對(duì)人類(lèi)危害最大的傳染病。

一個(gè)可怕的人類(lèi)宿敵

早在20世紀(jì)初期，意大利醫(yī)生和動(dòng)物學(xué)家喬瓦尼·格拉西（Giovanni Battista Grassi）與英國(guó)軍隊(duì)外科醫(yī)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(lèi)間傳播的疾病。他們的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了一個(gè)多世紀(jì)來(lái)對(duì)蚊子生物學(xué)、多樣性和生態(tài)的研究。對(duì)瘧疾傳播媒介蚊子的了解直接導(dǎo)致了讓瘧疾得到有效控制的成功例子，在某些地區(qū)甚至完全消除了瘧疾。

實(shí)現(xiàn)了瘧疾根除的地區(qū)包括南歐和美國(guó)南部的幾個(gè)州，這些地區(qū)由于多種因素的結(jié)合，使得瘧疾的傳播得到了有效控制。這些地區(qū)感染者數(shù)量減少；在人類(lèi)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(qū)，每年感染瘧疾的人數(shù)多達(dá)2億人；在瘧疾傳播地區(qū)，受到瘧原蟲(chóng)感染的蚊子每天都在叮咬人類(lèi)。由于這種種原因，非洲成了瘧疾傳播的重災(zāi)區(qū)，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(qū)大規(guī)模消滅蚊子，對(duì)蚊帳等用殺蟲(chóng)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(yù)防瘧疾傳播等。一些研究人員開(kāi)始轉(zhuǎn)向通過(guò)控制蚊子種群基因來(lái)消滅蚊子，這類(lèi)方法可專(zhuān)門(mén)針對(duì)蚊子的某些族群并可自我維持下去，不需要反復(fù)投放轉(zhuǎn)基因蚊子，也不需要高標(biāo)準(zhǔn)的公共基礎(chǔ)設(shè)施。

基因驅(qū)動(dòng)技術(shù)的相關(guān)研究

昆蟲(chóng)群體中自然發(fā)生的基因驅(qū)動(dòng)的例子在過(guò)去也是有案可查的。例如果蠅的轉(zhuǎn)位因子P能夠半隨機(jī)地在基因組的多個(gè)位置復(fù)制并粘貼自身，其效率之高甚至在20世紀(jì)不到60年的時(shí)間里“橫掃”了所有的野生種群。胞質(zhì)內(nèi)細(xì)菌屬的細(xì)菌沃爾巴克氏體被認(rèn)為是一種自私基因因子，幾乎一半左右的昆蟲(chóng)體內(nèi)都含有這種沃爾巴克氏體，它們可通過(guò)生殖細(xì)胞系傳播并為雌性昆蟲(chóng)提供生育上的相對(duì)優(yōu)勢(shì)。從理論上來(lái)說(shuō)，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(duì)抗瘧疾寄生蟲(chóng)能力的基因修改上。然而，轉(zhuǎn)位因子在基因組內(nèi)不加區(qū)別轉(zhuǎn)移的性質(zhì)以及讓大多數(shù)傳播瘧疾的蚊子種類(lèi)感染沃爾巴克氏體細(xì)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(kāi)始調(diào)查這種自然的基因驅(qū)動(dòng)方式是否也可應(yīng)用于蚊子群體。首先，研究人員將一種歸巢核酸內(nèi)切酶人工插入蚊子基因組的自然目標(biāo)點(diǎn)內(nèi)，然后測(cè)試插入核酸內(nèi)切酶在同源染色體內(nèi)的傳播能力。并利用啟動(dòng)子序列以確保核酸內(nèi)切酶專(zhuān)門(mén)在蚊子生殖細(xì)胞系表達(dá)，結(jié)果表明它可以作為一種基因驅(qū)動(dòng)力，改變精子或卵子對(duì)后代的遺傳影響。

另一種通過(guò)基因驅(qū)動(dòng)改變蚊子種群的方法是受到了一種被稱(chēng)為歸巢內(nèi)切酶的天然自私遺傳因子的啟發(fā)，這種自私基因存在于酵母和藻類(lèi)等單細(xì)胞真核生物中。歸巢內(nèi)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(shí)別非常長(zhǎng)的（也是非常罕見(jiàn)的）DNA目標(biāo)序列，并將核酸內(nèi)切酶編碼的基因插入到這個(gè)目標(biāo)序列中，當(dāng)這種酶接觸到染色體中不含核酸內(nèi)切酶的同族體時(shí)，就會(huì)將完好無(wú)損的目標(biāo)序列切割下來(lái)，促使細(xì)胞的DNA修復(fù)機(jī)制使用完好的染色體，其中包含的核酸內(nèi)切酶基因可作為修補(bǔ)用的模板。（詳見(jiàn)封二圖示。）

這種類(lèi)型的具有傾向性的遺傳機(jī)制取決于細(xì)胞用來(lái)修復(fù)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(lèi)型的基因驅(qū)動(dòng)可與任何類(lèi)型針對(duì)某種DNA序列的酶結(jié)合在一起，包括CRISPR在內(nèi)，通過(guò)將這些核酸酶插入染色體的目標(biāo)點(diǎn)上，CRISPR基因編輯只需要單一的蛋白質(zhì)（Cas9）和一個(gè)小小的引導(dǎo)RNA，就可以相對(duì)容易地設(shè)計(jì)一種在蚊子基因組內(nèi)識(shí)別相關(guān)位點(diǎn)的核酸酶蛋白。結(jié)合多年來(lái)關(guān)于哪種類(lèi)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(guò)基因驅(qū)動(dòng)方法開(kāi)發(fā)出有效的瘧疾控制途徑。（詳見(jiàn)封三圖示。）

轉(zhuǎn)基因蚊子控制瘧疾三大策略

轉(zhuǎn)基因蚊子控制疾病傳播有三大策略，這幾種方法在早期實(shí)驗(yàn)室研究中表明有一定效果，但每種方法都有自己的優(yōu)點(diǎn)和需要考慮的問(wèn)題。

控制和減少蚊子種群數(shù)量消滅瘧疾可以想象到的最簡(jiǎn)單的方式是減少蚊子種群數(shù)量，將目標(biāo)瞄準(zhǔn)對(duì)于雌蚊生育能力至關(guān)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(huì)進(jìn)入所有的生殖細(xì)胞中，由此將這種基因傳播到所有后代身上。基因驅(qū)動(dòng)因子在蚊子群體出現(xiàn)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(huì)繼續(xù)將這種基因驅(qū)動(dòng)因子遺傳給它們所有的后代。

研究小組最近確認(rèn)了3種與雌蚊生育能力相關(guān)的基因，這些基因有可能成為實(shí)施這種方法的適合目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)室里小規(guī)模種群實(shí)驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)用來(lái)破壞其中某個(gè)基因的基因驅(qū)動(dòng)可在整個(gè)種群中擴(kuò)散開(kāi)來(lái)。另一種類(lèi)似的選擇是以蚊子基因組內(nèi)對(duì)寄生蟲(chóng)傳播必不可少的基因?yàn)槟繕?biāo)，如寄生蟲(chóng)與之結(jié)合以進(jìn)入細(xì)胞的特定受體。

改變蚊子性別比例因?yàn)橹挥写莆貌艜?huì)傳播瘧疾，任何將蚊子種群性別比向雄蚊傾斜的干預(yù)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(guò)傳遞一種在數(shù)百個(gè)副本中專(zhuān)門(mén)針對(duì)某個(gè)重復(fù)序列的核酸酶，有選擇地破壞X染色體。這種核酸酶會(huì)粉碎X染色體，結(jié)果存活下來(lái)的精子中95%含有Y染色體，產(chǎn)生的雄性后代都會(huì)含有這種核酸酶。研究人員目前正努力在這種核酸內(nèi)切酶基因與Y染色體之間建立聯(lián)系，讓這種核酸酶作為一種驅(qū)動(dòng)基因在整個(gè)蚊子種群中擴(kuò)散開(kāi)來(lái)，最終蚊子種群將因缺少交配所需的雌蚊而導(dǎo)致整個(gè)蚊子種群崩潰。

提高蚊子對(duì)抗瘧疾寄生蟲(chóng)能力第3個(gè)選項(xiàng)是為蚊子配備某種直接對(duì)抗瘧疾寄生蟲(chóng)的藥物，這種方法的預(yù)期效果取決于加載物的性質(zhì)，而不是基因驅(qū)動(dòng)所瞄準(zhǔn)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(shí)行基因驅(qū)動(dòng)方法，包括利用基因編碼單鏈抗體與瘧原蟲(chóng)的表面蛋白結(jié)合并對(duì)其加以抑制。這項(xiàng)研究已在一代蚊子中顯示了基因驅(qū)動(dòng)對(duì)遺傳傾向性的影響，但對(duì)寄生蟲(chóng)的影響尚未被證實(shí)，還有待對(duì)圈養(yǎng)蚊子種群做進(jìn)一步測(cè)試。

基因驅(qū)動(dòng)技術(shù)的潛力與前景

基因驅(qū)動(dòng)對(duì)于昆蟲(chóng)媒介和害蟲(chóng)數(shù)量的控制潛力巨大，這種方法具有物種特異性、自我維持、長(zhǎng)期有效性和成本效益等特點(diǎn)?；蝌?qū)動(dòng)可作為現(xiàn)有的消滅瘧疾方法的補(bǔ)充，比如疫苗開(kāi)發(fā)、抗瘧藥和包括殺蟲(chóng)劑、蚊帳等在內(nèi)的傳統(tǒng)的蚊子媒介控制方法。

基因驅(qū)動(dòng)用于瘧疾控制仍處于起步階段，每個(gè)不同的方法都要面臨必須克服的巨大技術(shù)障礙?；蝌?qū)動(dòng)是通過(guò)專(zhuān)門(mén)的基因設(shè)計(jì)將不利于蚊子的基因在蚊子種群中傳播開(kāi)來(lái)，但它同時(shí)也會(huì)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(chóng)能力的策略更勝一籌。

最明顯的抵抗體現(xiàn)在核酸內(nèi)切酶目標(biāo)點(diǎn)可能的序列變異，這樣的變化可能已經(jīng)存在于群體中，但如果被破壞的目標(biāo)點(diǎn)的DNA修復(fù)是通過(guò)一種稱(chēng)為非同源末端連接的修復(fù)機(jī)制，而不是通過(guò)復(fù)制同源染色體（同源介導(dǎo)修復(fù)）的修復(fù)機(jī)制，變異的積累速度可能較低。幾種不同方式結(jié)合可以降低風(fēng)險(xiǎn)，如選擇有很強(qiáng)序列保護(hù)或基因驅(qū)動(dòng)因子多路復(fù)用的點(diǎn)。例如，以CRISPR基因編輯技術(shù)為基礎(chǔ)的基因驅(qū)動(dòng)可能包括多個(gè)不同的向?qū)NA，所有向?qū)NA抗裂的可能性就會(huì)降低，類(lèi)似于與抗生素聯(lián)合療法。

另一方面，通過(guò)基因驅(qū)動(dòng)運(yùn)送抗寄生蟲(chóng)藥物，瘧疾寄生蟲(chóng)耐藥性篩選取決于蚊子和瘧原蟲(chóng)菌株的遺傳背景以及溫度等環(huán)境因素。最終選擇哪一種方法還要根據(jù)具體的疾病傳播情況和昆蟲(chóng)媒介種類(lèi)的生態(tài)狀況。

任何在實(shí)驗(yàn)室里顯示效果的基因驅(qū)動(dòng)方法都必須在受到嚴(yán)格限制的大籠子里進(jìn)行大量測(cè)試，以觀察介入規(guī)模放大后的情況，如基因驅(qū)動(dòng)因子是否穩(wěn)定，是否產(chǎn)生抵抗或有脫靶效應(yīng)出現(xiàn)的跡象等。對(duì)特定地區(qū)蚊子的分布、遺傳異質(zhì)性和基因流等背景調(diào)查也是必不可少的。

此外，與任何新技術(shù)一樣，對(duì)這種方法的倫理和生態(tài)影響的仔細(xì)評(píng)估也是必要的。為此我們非常贊同最近研究界達(dá)成一致的基因驅(qū)動(dòng)技術(shù)安全開(kāi)發(fā)、實(shí)施和控制的原則，美國(guó)國(guó)家科學(xué)院在最近的一份報(bào)告中也鼓勵(lì)以謹(jǐn)慎的漸近的方式來(lái)構(gòu)建、測(cè)試和實(shí)施基因驅(qū)動(dòng)技術(shù)。雖然有了以上總體指導(dǎo)原則，但對(duì)任何蚊子群體部署基因驅(qū)動(dòng)控制措施時(shí)，都應(yīng)該在個(gè)案基礎(chǔ)上進(jìn)行評(píng)估。以岡比亞瘧蚊為例，監(jiān)管部門(mén)要在控制這種造成巨大健康和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)的疾病所帶來(lái)的潛在好處與各種風(fēng)險(xiǎn)之間進(jìn)行權(quán)衡。

最后，最重要的是，部署基因驅(qū)動(dòng)技術(shù)的決定不應(yīng)該也不取決于設(shè)計(jì)這項(xiàng)技術(shù)的科學(xué)家，而是取決于那些受疾病困擾的國(guó)家和社區(qū)所做出的選擇，需要各級(jí)利益相關(guān)者進(jìn)行開(kāi)放式對(duì)話(huà)，以確保在計(jì)劃實(shí)施之前達(dá)成共識(shí)。

[資料來(lái)源：The Scientist][責(zé)任編輯：彥 隱]

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