基于沃爾巴克氏體介導(dǎo)蚊媒宿主細(xì)胞質(zhì)不相容性的應(yīng)用研究進(jìn)展

特約通訊員 郭慧麗 王蔚峰 潘曉玲

蚊子所傳播的流行性乙型腦炎、登革熱、寨卡病、瘧疾等蚊媒傳染病每年引起約百萬例死亡。作為能調(diào)控蚊媒繁殖的革蘭陰性胞內(nèi)共生菌，沃爾巴克氏體可引起蚊媒宿主的完全細(xì)胞質(zhì)不相容性，即攜帶沃爾巴克氏體的雄蚊與不攜帶或攜帶不相容型沃爾巴克氏體的雌蚊交配，產(chǎn)生的受精卵100%發(fā)生胚胎期死亡而不能發(fā)育成成蚊。因此基于沃爾巴克氏體的細(xì)胞質(zhì)不相容性為蚊媒傳染病防治提供了新型高效的蚊媒種群壓制應(yīng)用策略。

揭秘細(xì)胞質(zhì)不相容性的分子機(jī)制

沃爾巴克氏體是自然界中廣泛分布于節(jié)肢動(dòng)物和線蟲，經(jīng)母性遺傳的革蘭陰性胞內(nèi)共生菌。它不僅賦予宿主抗病原體的特性，還通過殺雄、雌性化、孤雌生殖和細(xì)胞質(zhì)不相容性操縱共生宿主的繁殖和發(fā)育，其中細(xì)胞質(zhì)不相容性可致昆蟲繁衍出不能存活后代的現(xiàn)象。

沃爾巴克氏體調(diào)控蚊媒宿主生殖的唯一表型是引起完全細(xì)胞質(zhì)的不相容性，即感染沃爾巴克氏體的雄蚊與未感染或感染不兼容性沃爾巴克氏體的雌蚊交配產(chǎn)生的子代，因100%發(fā)生胚胎期死亡而無下代成蚊產(chǎn)生。其中，沃爾巴克氏體通過調(diào)控雄蚊使其宿主與未感染沃爾巴克氏體的雌蚊交配發(fā)生單向胞質(zhì)不相容性。而沃爾巴克氏體可調(diào)控雌蚊，使其與未感染沃爾巴克氏體的雄蚊繁衍出可正常發(fā)育且100%感染沃爾巴克氏體的子代。但分別感染不同型別且無兼容性沃爾巴克氏體的雄蚊與雌蚊交配，則引起雙向胞質(zhì)不相容性。因此，沃爾巴克氏體調(diào)控的CI特性不僅賦予感染沃爾巴克氏體的蚊宿主在種群繁衍中具有生存優(yōu)勢，并且為基于沃爾巴克氏體的蚊媒種群壓制和種群替換策略提供了理論基礎(chǔ)。

通過研究，相關(guān)研究專家們發(fā)現(xiàn)，沃爾巴克氏體在昆蟲宿主中呈多型別分布。雖然不同型別的沃爾巴克氏體的基因序列具有較高遺傳相似度，但其細(xì)微的遺傳差異仍能在自然界中引起宿主產(chǎn)生數(shù)十種CI表型。復(fù)雜的CI表型包括沃爾巴克氏體多型別共感染而導(dǎo)致的不對稱胞質(zhì)不相容性（asymmetrical CI）和部分胞質(zhì)不相容性（partial CI）。雖然目前能全面解釋所有表型的CI機(jī)制尚不明確，但如下3種CI假說能較好解釋多數(shù)CI表型：（1）“鎖和鑰匙”（lockand key）假說提出被沃爾巴克氏體修飾而“鎖住”的宿主精子，只有與感染相同沃爾巴克氏體的卵細(xì)胞結(jié)合才能被“解鎖”進(jìn)行正常發(fā)育；（2）“缺失與再生”（titration-restitution）假說則認(rèn)為沃爾巴克氏體使宿主精子“缺失”發(fā)育關(guān)鍵性蛋白，必須通過與同型沃爾巴克氏體調(diào)控的卵細(xì)胞結(jié)合才可“再生”發(fā)育關(guān)鍵性蛋白而正常發(fā)育；（3）“減速”（slow-motion）假說解釋沃爾巴克氏體調(diào)控宿主細(xì)胞為“減速”模式，只有因感染沃爾巴克氏體而同處于“減速”模式的精子和卵子結(jié)合才能正常發(fā)育。其中，“鎖和鑰匙”假說與眾多CI機(jī)制研究發(fā)現(xiàn)吻合度最高，該假說中沃爾巴克氏體通過哪些CI效應(yīng)因子調(diào)控宿主受精卵發(fā)育仍是目前研究的熱點(diǎn)和聚焦點(diǎn)。

目前研究發(fā)現(xiàn)沃爾巴克氏體所調(diào)控的CI效應(yīng)因子不僅包括宿主蛋白，還有宿主新陳代謝的產(chǎn)物：沃爾巴克氏體可通過下調(diào)雄性果蠅組蛋白分子伴侶Hira蛋白的表達(dá)，降低精子生育力引起受精卵的胚胎期死亡；此外，沃爾巴克氏體導(dǎo)致宿主性腺中活性氧（ROS）增高，可損傷精子DNA而促使受精卵的胚胎死亡。隨著分子水平上CI效應(yīng)因子研究日漸深入，RNA測序結(jié)果顯示沃爾巴克氏體引起果蠅卵巢和精囊組織中基因表達(dá)譜以相反趨勢呈顯著差異性，提示沃爾巴克氏體能以“缺失與再生”假說機(jī)制調(diào)控宿主基因作為其CI效應(yīng)因子。除基于宿主全基因組轉(zhuǎn)錄表達(dá)譜的研究，目前NCBI公布的超過40個(gè)不同物種內(nèi)沃爾巴克氏體的基因組序列亦為CI效應(yīng)因子研究提供新發(fā)現(xiàn)。沃爾巴克氏體可編碼CI效應(yīng)基因：果蠅體內(nèi)功能獲得實(shí)驗(yàn)證實(shí)沃爾巴克氏體編碼的去泛素化酶（cidA、cidB蛋白）是可引起CI的基因；wMel型沃爾巴克氏體中前噬菌體WO基因WD0631（cifA）以及WD0632（cifB）在果蠅功能實(shí)驗(yàn)中不僅可模擬CI的發(fā)生，而且cifA可拯救CI所引起的胚胎期死亡，揭示了CI效應(yīng)因子cifA 和cifB基因以“Two-by-One model”模式調(diào)控CI。上述CI機(jī)制研究均為基于沃爾巴克氏體的蚊媒控制策略應(yīng)用提供新分子靶標(biāo)。

沃爾巴克氏體引起的單向胞質(zhì)不相容性?！猓捍泶莆茫弧幔捍硇畚?；CI：胞質(zhì)不相容性；紅色、綠色和藍(lán)色分別代表攜帶不同型別的沃爾巴克氏體（如wAlbA、wAlbB或wPip）；沃爾巴克氏體感染的雄蚊（紅黃藍(lán)色）與沃爾巴克氏體雙重感染的雌蚊交配，所產(chǎn)的卵不孵化。

沃爾巴克氏體引起的雙向胞質(zhì)不相容性?！猓捍泶莆茫弧幔捍硇畚?；CI：胞質(zhì)不相容性；紅色、綠色分別代表攜帶不同型別的沃爾巴克氏體（如wAlbA、wAlbB）；攜帶沃爾巴克氏體的雌蚊和攜帶不同型別的沃爾巴克氏體的雄蚊交配，所產(chǎn)的卵均不能孵化。

蚊媒控制應(yīng)用

蚊媒控制技術(shù)中，基于沃爾巴克氏體的昆蟲不相容性策略（incompatible insect technique，IIT）主要通過種群抑制策略（population suppression）和種群替換策略（population replacement）預(yù)防和控制蚊媒傳染病的傳播：種群抑制策略是通過釋放可引起靶標(biāo)蚊群產(chǎn)生CI的雄蚊，從減少蚊群數(shù)量來控制蚊媒傳染病的傳播和流行；種群替換策略是通過釋放可引起靶標(biāo)蚊群產(chǎn)生CI的雌蚊，建立感染蚊群并利用沃爾巴克氏體賦予蚊媒宿主的顯著抗病原體特性，減低蚊群對蚊媒傳染病的易感性，從而控制蚊媒傳染病的傳播和流行。

研究發(fā)現(xiàn)，目前，基于沃爾巴克氏體的蚊媒控制策略已在澳大利亞、美國、墨西哥、巴西、印度、新加坡、中國等國被應(yīng)用于預(yù)防和控制登革熱、寨卡病等蚊媒傳染病的野外試驗(yàn)，并取得顯著進(jìn)展。

我國的沃爾巴克氏體蚊媒控制研究已開展科技成果轉(zhuǎn)化，從實(shí)驗(yàn)室走向了應(yīng)用，使用基于沃爾巴克氏體的昆蟲不相容性—絕育技術(shù)（incompatible insect technique and sterile insect technique，IIT-SIT），奚志勇教授團(tuán)隊(duì)于廣東省開展了消滅登革熱主要傳播媒介白紋伊蚊的野外試驗(yàn)：威佰昆生物科技有限公司在廣東省建有世界最大的蚊子工廠，生產(chǎn)可引起野生白紋伊蚊產(chǎn)生CI的新型沃爾巴克氏體感染的白紋伊蚊HC蚊株（wPip、wAlbA和wAlbB型沃爾巴克氏體三重感染）；根據(jù)2015—2017年監(jiān)測結(jié)果顯示，連續(xù)3年釋放HC蚊株雄蚊（含2%經(jīng)輻射而絕育的雌蚊）可減少83%～94%的野生白紋伊蚊雌蚊數(shù)量，并平均減少94%以上的野生白紋伊蚊幼蟲數(shù)量；在隔離性好的部分區(qū)域?qū)崿F(xiàn)野生白紋伊蚊的滅絕，亦沒有發(fā)生種群替換的現(xiàn)象。并且，基于沃爾巴克氏體的IIT-SIT技術(shù)還將在我國其他地區(qū)開展野外應(yīng)用。

在我國“科技創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)”戰(zhàn)略和“產(chǎn)學(xué)研用”一體化進(jìn)程推進(jìn)下，隨著CI機(jī)制研究的深入，更多可供應(yīng)用的新型蚊株建立，高效雌雄分離及自動(dòng)化釋放技術(shù)的提高，基于沃爾巴克氏體的蚊媒控制技術(shù)將更好地踐行健康中國策略，支持我國“一帶一路”綠色發(fā)展。并在預(yù)防控制蚊媒傳染病的全球應(yīng)用中發(fā)揮更為突出的重要作用。